基于最敏感索力的大跨斜拉橋輔助墩損傷識別研究

郭燕培 （成都理工大學(xué)，四川 成都 610059）

1 引 言

在大跨度斜拉橋中，為了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體剛度，改善結(jié)構(gòu)的受力狀況，以及減少塔頂?shù)乃轿灰啤⑺膹澗睾椭髁簝?nèi)力，在大跨斜拉橋的邊跨設(shè)置輔助墩，是一個非常有效的方法[1]。李延強(qiáng)等[2]通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究并提出了基于最敏感斜拉索張力指標(biāo)的斜拉橋主梁損傷識別方法；熊文等[3]以運營階段實測索力作為跟蹤目標(biāo)對主梁剛度退化的程度與位置進(jìn)行識別；李延強(qiáng)[4]提出了一種最敏感索力指標(biāo)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的斜拉橋主梁損傷識別方法；董曉馬等[5]提出了基于柔度矩陣的斜拉索損傷識別方法；鐘儒勉等[6]提出了基于多尺度模型修正的結(jié)合梁斜拉橋損傷識別方法。從文獻(xiàn)調(diào)研中可以看出，現(xiàn)階段的斜拉橋損傷識別的研究雖然方法眾多，但是研究對象仍是主要聚焦在主梁或者索力方面，對于輔助墩的損傷識別研究較為稀少。

2 工程概況

2.1 背景工程

鄱陽湖大橋是江西省九江市至景德鎮(zhèn)高速公路上的一座特大橋，跨越鄱陽湖的湖口地段，南側(cè)是鄱陽湖，北側(cè)是長江。橋梁全長3799m，橋面寬27.5m，為雙向四車道，設(shè)計時速100km。整座大橋橫跨在鄱陽湖湖面上，是國家高速（G56杭瑞高速公路）的重要東西向運輸通道，該大橋于2000年11月建成通車，主橋全長636m，主橋跨境布置為65+123+318+131m的四跨預(yù)應(yīng)力混凝土大、小塔雙索面斜拉橋。主橋采用橋塔分離式，在主塔下橫梁上設(shè)置豎向支座的半漂浮結(jié)構(gòu)體系，高塔（九江岸）邊跨輔助墩頂設(shè)有拉壓支座。

此橋選用受力性能較好的扇形索塔布置，主塔采用花瓶型結(jié)構(gòu)，大小塔不對稱布置，拉索共計152根。主孔結(jié)構(gòu)為65+123+318+131m四跨預(yù)應(yīng)力混凝土大、小塔雙索面斜拉橋，主梁施工采用前支點掛籃施工，主梁截面如圖1。

圖1 主梁斷面

2.2 86號下游輔助墩損傷狀況

根據(jù)鄱陽湖大橋輔助墩損傷時的現(xiàn)場檢測，下游側(cè)抗壓支座上鋼板錨固螺栓脫落失效，導(dǎo)致支座脫空，退出工作；由于荷載作用下引起主梁偏位，脫落的螺栓與支座墊石混凝土發(fā)生擠壓，導(dǎo)致墊石混凝土破損；同時支座整體向下游偏位。而與下游側(cè)支座相比，上游側(cè)支座上鋼板與主梁錨固良好，螺栓未發(fā)生脫落現(xiàn)象，但支座已發(fā)生偏轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)，推測支座內(nèi)部已經(jīng)產(chǎn)生了較大的內(nèi)力。

此時可以測得損傷后的索力變化，如表1所示。

鄱陽湖大橋損傷前后索力對比 表1

此時，對于斜拉橋這種超靜定結(jié)構(gòu)，拉壓支座的失效對其結(jié)構(gòu)受力體系會產(chǎn)生較大的變化，因此應(yīng)當(dāng)引起重視。

3 模型的建立與修正

3.1 模型的建立

此模型采用Midas civil軟件進(jìn)行建模分析，結(jié)構(gòu)形式采用單主梁的脊骨梁模型，此模型的特點是主梁的剛度與質(zhì)量系統(tǒng)都可以還原實際橋梁，但不能考慮主梁約束扭轉(zhuǎn)剛度的影響，此次僅使用橋梁的索力與其他受力狀態(tài)的分析，因此單主梁模型的缺點可以忽略[10]。

根據(jù)斜拉索的特性，采用只受拉的桁架單元。采用剛性連接模擬斜拉索與主梁的連接位置，確保拉索錨固位置的準(zhǔn)確性。使用軟件中的未知荷載系數(shù)法，對模型的索力進(jìn)行修正，將模型索力與實際成橋數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，并且基于成橋后的位移進(jìn)行修正，得到與實際成橋狀態(tài)相似的模型。

此斜拉橋中塔柱、上塔柱和橫梁為等截面，用梁單元模擬，下塔柱為變截面，采用變截面梁單元進(jìn)行模擬，并將主梁與橋塔進(jìn)行剛性連接，以模擬實際的成橋狀態(tài)。

輔助墩則是直接用約束進(jìn)行模擬，在輔助墩位置設(shè)置豎直約束與橫向約束，因為此處只需要考慮輔助墩對斜拉橋的約束效應(yīng)，并不考慮與土層的作用和樁基礎(chǔ)的效應(yīng)。

隋唐五代時期，人們繼承了前代的用法，凡是“尚巧”一定與技巧、技藝等相聯(lián)系。如隋代江總《為陳六宮謝表》“愧纏艷粉，無情拂鏡，愁縈巧黛，息意臨窗”[20](P4070)，贊美宮中女子善于妝扮。可以說，這一用法，自隋唐到宋代，人們的“尚巧”觀念都是基于對制作、創(chuàng)作方面的工藝、技能等方面的肯定和推崇，是單純從技術(shù)、技能方面來言說的。比照本文前述所引用的唐宋時期“尚拙”問題的文獻(xiàn)，亦可對此有較為充分的理解。

3.2 模型的修正

按照3.1節(jié)中的索力調(diào)整的方法，可以得出成橋索力，并且與實際的索力相對比。

可得出，模型索力與成橋索力數(shù)值相差不超過10%，說明此時模型狀態(tài)與實際橋梁狀態(tài)雖有差別，但是此誤差已在容許范圍內(nèi)，故忽略該誤差對本文的影響。

4 損傷識別

4.1 最敏感索力的確定

此處模擬的損傷為斜拉橋86號下游輔助墩（位于SA15下游拉索附近）損傷，因輔助墩此處為豎向約束與橫向約束所代替，模擬損傷只需將此處的約束取消，保持在未損傷狀態(tài)下的成橋受力狀態(tài)，即可得出此時的損傷狀態(tài)下的成橋索力。

在軟件中進(jìn)行損傷狀態(tài)下的成橋模擬，可以得出損傷狀態(tài)下成橋后的索力狀態(tài)，并且與未損傷狀態(tài)的索力作對比，結(jié)果如表3所示。

模型索力與實測索力對比結(jié)果 表2

損傷狀態(tài)索力與未損傷狀態(tài)索力對比結(jié)果 表3

表3中可以看出，在SA15下游處的索力變化最大，且距輔助墩越近，索力受到輔助墩損傷影響越大，即可以得出SA15下游索力為輔助墩損傷的最敏感索力。

4.2 輔助墩豎向位移與最敏感索力的擬合

為了研究輔助墩豎向位移與最敏感索力的關(guān)系，首先得到橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)，如表4所示。

輔助墩位移與最敏感索力數(shù)據(jù) 表4

使用OriginPro軟件對其進(jìn)行線性擬合，使用參數(shù)Y代表輔助墩豎向位移，F(xiàn)代表最敏感索力大小，結(jié)果如圖2所示。

圖2 輔助墩豎向位移與索力擬合結(jié)果

可以得出擬合公式：

此處可以得出輔助墩豎向位移與最敏感索力的關(guān)系公式，可以運用在健康監(jiān)測系統(tǒng)中，通過最敏感索力的變化得出輔助墩的位移變化，來快速判斷出輔助墩是否出現(xiàn)損傷。

5 結(jié)論

本文以我國鄱陽湖大橋輔助墩損傷為背景，運用軟件進(jìn)行有限元建模，得出了輔助墩豎向位移與最敏感索力的擬合關(guān)系，以此來進(jìn)行輔助墩的損傷識別，得到的結(jié)論如下：

①在斜拉橋損傷模型中，運用模型修正法配合現(xiàn)場橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)可以得到與現(xiàn)實力學(xué)性能相近的模型；

②在鄱陽湖大橋中，輔助墩損傷的最敏感索力為最近的拉索索力，在橋梁監(jiān)測中，可以通過最敏感索力的變化規(guī)律，來更快地識別輔助墩損傷；

③在橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)中，輔助墩位移指示器數(shù)值較大的情況下，可以通過最敏感索力的變化來辨別是否是輔助墩位移指示器出現(xiàn)故障所導(dǎo)致的現(xiàn)象。