斜拉桥亚临界状态的分析方法.docx

斜拉桥亚临界状态的分析方法 斜拉桥的性能状态要由桥梁的力学参数来反映。目前斜拉桥健康监测系统可监测到的力学参数主要包括四类：索力、位移、频率、应变。亚临界状态的识别主要基于上述力学指标。 为了掌握斜拉桥亚临界状态对应的力学指标的变化，需利用有限元模型对各亚临界状态进行模拟。本章运用已修正的有限元模型进行模拟分析。 1 有限元模型的应用 本章分别按如下方法对下述工况进行模拟： 1) 斜拉索断丝利用斜拉索单元刚度下降来模拟，斜拉索松弛利用对斜拉 索施加温度荷载的方式来模拟； 2) 桥面塑性铰处的损伤利用桥面单元刚度降低来模拟； 3) 采用反向施加预应力的方式模拟预应力损失； 4) 采用对桥塔和主梁施加水平荷载的方式来模拟水平风荷载； 5) 采用均布竖向荷载模拟车辆荷载； 6) 采用施加位移荷载的方式模拟支座沉降； 7) 采用取消结点耦合的方式模拟支撑体系失效。本章利用 matlab 和 ANSYS 联合编程的方式计算并建立了滨州斜拉桥亚临界状态对应的桥梁力学 参数变化数据库。 在本章后续分析中，统一使用图8-1所示的编号方式。 2 监测数据的分析方法 斜拉桥在运营期间所受荷载分恒载和活载，其中恒载占 70%－80%。车辆荷载、风荷载和温度荷载以及收缩和俆变是运营期间的主要的活荷载。利用监测数据的变化来识别亚临界状态需要保证荷载工况的基本相同，但活荷载时刻在变化，这就需要想办法处理活荷载的影响。 由于需要利用在线监测数据实时识别亚临界状态，因此本章将采取如下的统一方式对数据进行分析和处理： 1) 从监测系统开始运行起，记录所有无车上桥时段的时间点和对应的力学指标； 2) 将当前最新的无车上桥时段的力学指标与最临近的无车上桥时段的力学指标相比较，根据这两次的监测数据的变化来判断斜拉桥当前是否进入亚临界状态； 3) 结合风荷载和温度荷载的监测数据，将当前最新的无车上桥时段的力学指标与历史上相同条件下的无车上桥时段的力学指标相比较，根据其变化来判断斜拉桥当前是否进入亚临界状态。下面分别给出四类力学指标的分析方法。 2.1 索力监测方法 通过测试斜拉索加速度来间接求取索力是当前索力监测的普遍方法。由斜拉索的频率计算索力时需要考虑拉索刚度和垂度等的影响，本章提出利用频差拟合识别法来计算索力。 当不考虑拉索刚度、垂度、斜度、温度及非理想边界条件时，斜拉索索力与拉索基频之间的关系为 式中f1为拉索基频。在满足上述条件时，根据弦振动理论，拉索各阶频率差相等、且等于基频，因此通常可以利用各阶频率差来求基频。但实际斜拉索由于前述各方面原因导致实测拉索频率阶数越高，频差越大。而由于测试条件限制，索力测试时传感器只能放在索离地面2米处，因此测得的频率以高阶频率为主，这样直接利用高阶频率差求基频就会造成基频识别值变大，从而导致索力识别值偏大。 由于拉索频率差的增大是平缓的，因此可以通过对若干高阶频差进行拟合，得到频差的近似变化规律，根据这一规律由高阶频差推导基频。由图8-2可以看出，拉索频率差的确是随频率阶数增加而增加，而通过拟合的方法可以较好地由高频频差确定基频。图8-2中确定的基频为0.702Hz，而24阶频差却达到了0.8Hz，可见直接将高阶频差作为基频的误差是很大的。 2.2 频率监测方法 推荐利用第 3 章所提供的模态参数识别方法识别桥面低阶振动频率。对亚临界状态进行实时预警需要短时无车上桥时段的桥梁频率. 2.3 应变监测方法 目前用于桥梁健康监测的最流行的应变传感器为光纤光栅传感器和振弦式应变传感器。相比较而言，光纤光栅应变传感器更加适合长期在线监测，因此本章推荐采用。应变传感器的数量选择和测点位置的确定是重要问题，考虑到成本问题，本章推荐如图8-3所示的布置方式，即每个索根处布置 4 个传感器。 这样的布置方式保证每根主梁有4个传感器，能够反映主梁的状态。另外这样布置传感器时索力的变化也相对比较容易捕捉到。 2.4 位移监测方法 用于健康监测系统的位移测量装置主要有连通管和 GPS。连通管可以测静态相对位移，但精度不高，而且受温度限制；GPS 能够全天候实时监测动态绝对位移，精度较高，不受天气限制，但造价高。 当位移测点数量受限时，需要选择一些特征点进行监测，这些特征监测点包括：桥塔顶部、桥塔塔根处、桥面系合拢段，因为这些位置的位移能够反映斜拉桥的桥塔和桥面系的异常变形。