基于荷載試驗的斜拉橋活載效應分析

肖宏笛 孫俊昌

橋梁荷載試驗的控制荷載是由設計活載效應確定，對于斜拉橋其非線性效應顯著，簡單的線性分析是偏危險的。本文介紹了斜拉橋活載效應求解的幾種方法，并以某座斜拉橋為研究背景，借助有限元計算程序，分析了幾何非線性對斜拉橋活載效應的影響。研究結果表明，對于主跨在230m左右的斜拉橋采用線性二階理論確定荷載試驗的設計活載效應較為高效合理。

一、引言

橋梁荷載試驗的控制荷載是由設計活載效應確定的，求解橋梁設計活載效應是荷載試驗的關鍵。而對于斜拉橋由于受到拉索垂度效應、梁柱效應、大位移效應等幾何非線性效應的影響，使得基于線性疊加原理的影響線方法已不再適用于考慮幾何非線性影響的斜拉橋活載效應的求解。本文首先介紹了斜拉橋活載效應求解的線性理論、非線性理論、線性二階理論，并以一座主跨為232m的獨塔斜拉橋為研究背景，對該獨塔斜拉橋活載幾何非線性效應的影響進行了研究，對比分析了采用線型理論、非線性理論、線性二階理論求解的斜拉橋活載效應的結果。

二、活載效應分析方法

1.線性理論

線性結構的分析，可利用基于線性疊加原理的影響線方法計算活載效應。對于斜拉橋，在不考慮恒載、活載對結構總剛度影響的情況下，將活載布載在最不利加載位置，求解斜拉橋活載效應，此為斜拉橋活載效應的線性理論。

2.非線性理論

線性分析中的三個基本假定對應了非線性問題中的三種非線性問題，即材料非線性、幾何非線性、接觸非線性。由于斜拉橋柔性的受力特性，因此在斜拉橋的計算分析中，幾何非線性對結構內力分配的影響已不容忽略。斜拉橋幾何非線性的影響主要體現在三個方面，即拉索的垂度效應、梁柱效應、大位移效應。

（1）拉索的垂度效應。由于拉索自重的影響導致索力和變形之間非線性，通常采用Ernst公式修正的等效桁架單元來模擬斜拉索，將幾何非線性問題轉化為材料非線性問題來解決拉索自重引起的非線性影響。當索內應力水平較低時，這種方法精度較低，直接采用柔索單元來模擬斜拉索才能得到精確的結果。

（2）梁柱效應。斜拉橋主梁、主塔都工作在壓彎狀態，引起了梁柱效應，通常采用計入軸力影響的幾何剛度矩陣建立的平衡方程來考慮這一效應。

（3）大位移效應。由于斜拉橋柔性的結構特性，荷載作用下結構變形較大，平衡方程必須建立在變形后的位置上，通常采用計入單元大位移剛度矩陣的方法來考慮這一效應。

進行活載幾何非線性分析時，會遇到如下問題：（1）線性疊加原理失敗，無法再用傳統的影響線加載法進行活載分析。（2）影響線的形狀和范圍與結構的構型、內力有關，而計算活載效應又必須事先已知影響線。對于斜拉橋，相對于恒載，活載所占比重較小，引起的構型和內力改變也較小。因此可將成橋恒載受力狀態作為初始狀態，將活載布置在恒載狀態下的影響線最不利位置，按幾何非線性方法分析恒、活載共同作用下結構受力狀態。將恒、活載共同作用下結構狀態作為下一步求解活載最不利不在位置的初始狀態，重復上述步驟，直到內力達到收斂為止。

3.線性二階理論

采用上述非線性分析方法，可以精確得到斜拉橋各種荷載作用下的響應。但是，實現這些非線性計算工作量大，計算時間長。對于斜拉橋，恒載所占比重較大，其對結構總剛度的影響也較大，在線性理論的基礎上，考慮恒載對結構總剛度的影響，將恒載受力狀態作為初始狀態，找到活載最不利加載位置，求解斜拉橋活載效應，此為斜拉橋活載效應的線性二階理論。

三、某斜拉橋活載效應分析

本文以一座（232+70+40+20）m的獨塔雙索面塔梁固結斜拉橋（見圖1）為算例，借有限元軟件程序Midas civil 2017，分別采用線性理論、非線性理論、線性二階理論對該獨塔斜拉橋進行活載效應分析。其中，線性理論采用等效桁架單元模擬斜拉索，直接計算移動荷載作用下活載效應；非線性理論采用索單元模擬斜拉索，定義恒載作用下一次成橋施工階段，計算成橋恒載受力狀態，以成橋恒載受力狀態為初始狀態，確定活載最不利加載位置，計算活載效應，將活載加載至前一步求出的最不利加載位置，定義恒、活載共同作用下一次成橋施工階段，計算恒、活載共同作用下受力狀態，以恒、活載共同作用下受力狀態為初始狀態，重復以上步驟，一般兩次迭代即達到收斂；線性二階理論采用索單元模擬斜拉索，定義恒載作用下一次成橋施工階段，計算成橋恒載受力狀態，以成橋恒載受力狀態為初始狀態，確定活載最不利加載位置，計算活載效應。

圖1 斜拉橋立面布置圖（單位：cm）

表1 活載效應計算結果比較

表1為活載效應按照三種理論計算結果比較表。從表中可以看出，按照線性理論方法計算產生的相對誤差較大，最大相對誤差達到-8.6%，按照線性二階理論方法計算產生的相對誤差較小，最大相對誤差為-3.85%。

四、結語

1.按照線性理論計算獨塔斜拉橋活載效應會產生較大誤差，且計算結果是偏危險的。

2.按照線性二階理論計算結果與按照非線性理論計算結果很接近，計算精度完全可以滿足荷載試驗的要求，且與按照非線性理論計算相比計算工作量較小，計算簡單高效。