润扬悬索桥扁平钢箱梁局部应力的测试与分析

1、第37卷第2期2007年3月东南大学学报(自然科学版JOURNAL O F SOU THEAST UN I V ERS ITY (N atural Science Edition V ol 137N o 12M ar . 2007润扬悬索桥扁平钢箱梁局部应力的测试与分析刘毅李爱群丁幼亮赵大亮(东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室, 南京210096摘要:为了计算钢箱梁的局部应力并与现场实测进行对比分析, 基于子模型法提出了大跨悬索桥扁平钢箱梁应力分析的数值计算方法. 以润扬悬索桥为例, 建立全桥的整体结构尺度模型, 并通过成桥试验验证了该模型的准确性. 选取跨中钢箱梁建立局部构件尺

2、度的精细模型. 在局部模型的切割边界, 应用子模型法衔接两尺度模型进行钢箱梁局部应力的数值计算, 并与成桥静载试验的测试结果进行了对比分析. 在此基础之上, 系统地总结了大跨悬索桥钢箱梁结构在车辆荷载作用下的工作行为和受力性能. 结果表明, 钢箱梁顶板U 形肋存在较大的应力变化幅值, 应作为结构健康监测与疲劳状态评估的重点构件.关键词:悬索桥; 钢箱梁; 应力分析; 子模型法中图分类号:U 448127; TU 311文献标识码:A :1001-0220275205Co mput ati onal and m of fl atof on Br i dgeL L i iqun D ing You

3、 liang Zhao D aliang(Key L aboratory of and Prestressed Concrete S tructures of M inistry of Education, Southeast U niversity, N anjing 210096, China Abstract:A num erical calculation m ethod based on subm odeling technique is p resen ted for the stressanalysis and its experi m ental verification of

4、 steel 2box 2g irder of long 2span Susp ension B ridges . The R unyang suspension b ridge w as taken as a case study to estab lish a g lobal 2scale m odel firstly . The accuracy of the m odel w as validated by tests . Then, a p recise local 2scale m odel of selected details w as constructed . The co

5、m putation of stress w as conducted by connecting these t w o m odels using the subm odeling technique, and the results w ere com pared w ith the experi m ental ones . B ased on this, the m echanical characteristics of flat steel 2box 2girder under vehicle loads w ere further summ arized . R esult s

6、how s that, the U 2shape ribs are of critical i m po rtance in structural health m onitoring and fa 2tigue assess m ent because of its large range of stress variation .Key words:suspension bridge; steel 2box 2girder ; stress analysis; subm odeling techn ique收稿日期:2006210230.基金项目:教育部高等学校科技创新工程重大项目培育资金

7、资助项目(704024 、国家高技术研究发展计划(863计划 资助项目(2006AA 04Z 416 、国家自然科学基金重点资助项目(50538020 .作者简介:刘毅(1980 , 男, 博士生; 李爱群(联系人 , 男, 博士,教授, 博士生导师, aiqunli seu . edu . cn .自1966年英国塞文桥首次采用全焊正交异性板流线型扁平钢箱梁代替桁架式加劲梁以来, 具有良好气动性能的扁平钢箱梁技术逐渐得到了推广和应用. 我国近年来所建成的大跨度悬索桥、斜拉桥的主梁多采用该形式. 扁平钢箱梁构造复杂, 加劲肋、纵横隔板布置密集, 加之大跨度桥梁体量巨大, 目前的计算技术很难将整

8、个钢箱梁及其加劲肋全部采用壳单元精细模拟, 从而一次计算得到钢箱梁的应力分布情况1. 因而, 如何建立扁平钢箱梁空间应力分析的计算方法, 用以准确模拟钢箱梁在车辆荷载作用下的工作行为和受力性能, 既是大跨桥梁结构健康监测与状态评估的基础理论问题, 也是扁平钢箱梁结构优化设计的重要理论基础2-3. 本文以润扬长江公路大桥南汊悬索桥(润扬悬索桥 扁平钢箱梁为分析对象, 研究了钢箱梁局部应力的计算方法, 并对比成桥静载试验的测试结果验证了该计算方法的准确性和有效性. 最后在此基础之上, 系统地总结了大跨悬索桥扁平钢箱梁在车辆荷载作用下的工作行为和受力性能.1计算方法与计算模型111计算方法扁平钢箱梁

9、局部应力的计算分析采用分3个体系计算应力, 近似叠加求总应力的方法4, 即:第一体系为整体承重结构体系, 通常采用杆系模型, 按照法向应变在杆件截面的分布规律计算各构件各点的应力; 第二体系为桥面体系(正交异性板系统 , 包含桥面板、纵向加劲肋和横梁等, 通常采用P 2E 法按正交异性板进行等效计算; 第三体系为钢桥面板, 将作用在肋间的局部荷载传递给各加劲肋, 采用弹性薄板理论进行计算. 上述3个体系的划分有助于设计人员从受力机理上把握钢箱梁的工作性能, 但对于精细分析钢箱梁局部应力分布和关键构件疲劳损伤累积却存在着很大的不足5.为了能全面、细致地模拟钢箱梁在车辆荷载作用下的工作行为和受力性

10、能, , 6. , 全桥采时, 如何将杆系单元与壳单元在切割边界上进行有效衔接, 将直接关系到计算结果的准确性7.本文针对以上情况, 将扁平钢箱梁局部应力的计算分为2个结构体系来进行:1 第一体系为整体结构尺度模型为了避免杆系单元与壳单元边界条件的自由度匹配难题, 整体模型采用仅简化加劲肋的方法, 运用正交异性壳单元对钢箱梁各构件进行等效, 保留钢箱梁的空间箱形构造特点.2 第二体系为局部构件尺度模型采用壳单元精细模拟扁平钢箱梁的顶板、底板、腹板、横隔板、U 形加劲肋和偏球头钢加劲肋等.由于以上2个体系均采用壳单元来模拟钢箱梁, 用子模型法8-9即可进行2个模型间跨尺度的有效衔接. 子模型法的

11、实质是局部精细模型的二次计算, 其基本过程是首先用较粗的单元网格划分对整体模型进行计算, 然后建立需详细分析区域的网格划分较细的子模型, 子模型的边界条件由相应位置整体模型的节点位移插值确定, 最后对子模型进行计算分析. 根据圣维南原理, 只要所分析的区域适当远离切割边界, 局部模型内就可以得到较精确的应力计算结果.112计算模型润扬悬索桥是由南汊悬索桥和北汊斜拉桥组合而成的特大型缆索支承型桥梁, 南汊悬索桥为主跨1490m 的单跨双铰简支钢箱梁桥, 其整体布置如图1所示. 润扬悬索桥桥面采用全焊流线型扁平钢箱梁, 其截面如图2所示. 钢箱梁主体结构采用Q 3452D 钢, 梁高(中心线处内轮

12、廓 310m , 总宽(至检修道翼缘尖角 3817m. 箱梁顶板厚14mm , 上斜腹板厚12mm , 底板及下斜腹板厚10mm , U 形加劲肋板厚6mm , 偏球头钢加劲肋厚10mm , 横隔板间距3122m , 吊索处横隔板板厚10mm , 非吊索处8 mm.图1:cm 图2钢箱梁标准横断面结构图(单位:cm 图3润扬悬索桥整体结构尺度模型润扬悬索桥整体结构尺度模型采用仅简化钢箱梁加劲肋的方法, 运用正交异性壳单元对钢箱梁各构件进行等效(见图3 , 桥面离散为14074个壳单元. 正交异性壳单元等效钢箱梁各构件的原则是:局部板2个正交方向的单位宽度抗弯刚度与实际结构等效; 壳平面内的横向

13、抗弯刚度与实际结构等效; 壳平面内的剪切刚度与实际结构等效. 为了验证正交异性壳单元的计算精度, 将该整体模型桥面系的模态分析结果与成桥试验桥面系模态测试结果进行了对比, 两者前10阶模态频率最大相对误差和平均相对误差分别为5190%和2190%, 模态振型的最小M A C (m odal assurance672东南大学学报(自然科学版 第37卷criterion 值和平均M A C 值分别为01871和0195610. 对比表明, 本文建立的润扬悬索桥整体结构尺度模型具有较高的可靠性和准确性, 从而为扁平钢箱梁局部应力分析的子模型提供了便于应用的整体结构响应描述.扁平钢箱梁局部构件尺度模型

14、根据设计图纸对顶板、底板、腹板、横隔板、U 形加劲肋和偏球头钢加劲肋等采用壳单元进行精细建模, 其边界条件由整体模型相应切割位置的节点位移插值确定. 根据润扬悬索桥成桥试验加载车辆以及测点位置的布置, 取跨中梁段(19132m 建立局部精细模型如图4所示, 梁段总计离散为40416个壳单元 .图42计算结果与分析润扬悬索桥于2005年5月通车之前完成了成桥静动载试验10 . 为了解扁平钢箱梁在车辆荷载作用下的应力状况, 试验中设计了2个车辆间距较密的加载工况用于局部应力测试. 加载车辆自重30 t, 前轴6 t, 中轴、后轴均为12t (见表1 . 扁平钢箱梁顶板、底板和U 形加劲肋的测点位于

15、跨中横隔板以南1161m 处(镇江侧 , 是两横隔板间的跨中位置. 局部应力的测量, 采用电阻应变片先测出测点处的应变, 再根据材料物理性质算出应力增量的方法来进行. 本文的理论计算值采用上述2个体系分析方法, 计算了2种工况测试断面处的应力响应, 与实测值进行了对比分析, 在此基础之上总结. 2. 15(a (b 和工况2作用(单位:cm 工况加载位置加载图示工况1跨中截面附近, 16辆车4列4行, 行距9. 6m , 横桥向对称工况2工况1所有车队向前移动1. 61m图5顶板正应力横桥向分布图的横向分布图. 可以看出, 顶板各测点处的应力测试值与计算值吻合良好. 从计算值和实测值的分布来看

16、, 顶板顺桥向弯曲正应力的绝对值沿梁宽由两侧向中央均匀地增加, 呈现出较平缓的盆形分布曲线. 产生这一分布特点的原因是:悬索桥钢箱梁在吊点处仅承受吊索竖直向上的作用力, 其他各处在重力和车辆荷载的作用下, 离吊点愈远, 局部弯沉愈大, 因而弯曲正应力愈大; 顶板横坡的影响, 使得中央顶板离开箱梁断面中性轴的距离较其他部位大, 根据平截面假定, 因而正应力的绝对值也较大. 工况2较工况1的盆形曲线更平缓, 这是因为车辆前移后钢箱梁局部弯沉也随之减小所造成的. 图5(a 中可以明显看出测试截面区域沿梁宽布置的4列车载, 且车载作用位置的顶板正应力明显大于相邻无直接荷载的顶板. 这说明顶板的作用相当

17、于单向板, 将车辆荷载的直接作用传递至最近的U 形肋, 其单向板短边长度为U 形肋的间距或U 形肋的上口宽度. 因此, 在图5(a 中可以看到车辆荷载作用引起的尖角范围仅限于U 形肋之772第2期刘毅, 等:润扬悬索桥扁平钢箱梁局部应力的测试与分析间, 衰减迅速.下面进一步考察车辆荷载作用对顶板应力沿桥纵向的局部影响范围, 车载作用位置上的顶板正应力顺桥向分布如图6(a 、(b 所示(图中x 表示离箱梁中心线的距离 . 可以看出随着车辆的前移, 最大压应力位置的变化. 图6(a 中应力分布尖角的位置对应加载车辆的后轴(-1161m 处 , 图6(b 中应力分布尖角的位置对应加载车辆的中轴(11

18、61m 处 . 由于横隔板的弹性支承作用, 车辆荷载对顶板应力的局部影响范围仅限于两横隔板之间 .图6顶板正应力顺桥向分布图212顶板U 形肋正应力分析图7(a 、(b 分别为加载工况1和工况2作用下, 跨中测试断面处顶板U 形肋下缘顺桥向弯曲正应力沿梁宽的横向分布图. 可以看出, 顶板U 形肋下缘各测点处的应力测试值与计算值吻合良好. 由2. 1节的分析可知, 顶板的作用类似于单向板, 将车轮的直接作用传递至U 形肋. 而U 形肋及其上口顶板则相当于箱形小梁, 将作用力传递至两侧的横隔板. 从图7(a 中可见, U 形肋下缘正应力在4列车辆作用位置处由受压转变为受拉, 且受拉区域仅限于离车载

19、作用位置最近的U 形肋, 车载作用的局部效应十分明显. 图7(b 表示的工况2中, 尽管车辆作用位置已经移开测试断面, 但是车载作用线上的U 形肋应力仍然明显大于相邻U 形肋, 局部效应依然明显.下面进一步分析车辆荷载作用下U 形肋正应力顺桥向分布规律, 如图8(a 、(b 所示, 最大压应力分别出现在-3122m 和3122m 横隔板位置, 最大拉应力出现在-1161m 和1161m 车载位置处, 其他横隔板位置和车载作用位置均有尖角出现. U 形肋正应力顺桥向分布的这种规律, 体现了图7顶板U 形肋正应力横桥向分布图同影响. 动, , . 由此可见, 顶板U 形肋及、横隔板的连接部位存在着

20、较大的拉压应力的变化幅度, 应作为结构健康监测系统中应变计输出应变时程, 进而实施疲劳状态评估的重点构件 .图8顶板U 形肋正应力顺桥向分布图2. 3底板正应力分析图9(a 、(b 分别为工况1和工况2时, 测试断面上底板顺桥向弯曲正应力沿梁宽的横向分布图. 从图中可以看出, 底板正应力的分布比较均匀, 2次不同加载工况的实测值、计算值仅有微小的差别, 呈现出更为平缓的盆形分布曲线. 出现这种分872东南大学学报(自然科学版 第37卷布规律的原因为:底板水平无横坡, 离钢箱梁中性轴的距离相同使得应力分布曲线更为平缓; 底板上不存在车载的直接作用力, 因而正应力分布就不受车辆荷载作用局部效应的影

21、响. 因此, 本文不再分析底板正应力沿桥纵向的分布情况 .图9底板正应力横桥向分布图3结语重要理论问题, . 本文以润扬悬索桥扁平钢箱梁为分析对象, 探讨了采用子模型法衔接整体结构尺度模型和局部构件尺度模型计算局部应力的方法, 并将理论计算结果与成桥静载试验的测试结果进行了对比分析. 结果表明, 该计算方法能准确、细致地计算钢箱梁在车辆荷载作用下的应力响应, 从而为进一步开展钢箱梁疲劳状态评估建立了行之有效的计算方法和计算模型. 此外, 局部应力分析结果表明, 扁平钢箱梁的U 形肋在车辆荷载作用下由于横隔板的弹性约束作用存在着明显的局部应力效应, 应作为结构健康监测与疲劳状态评估的重点构件.致

22、谢:作者衷心感谢江苏省长江公路大桥建设指挥部、同济大学桥梁工程系的工程师和老师们在润扬大桥成桥试验中给予的大力帮助与支持!参考文献(References1C han T H T, G uo L , L i Z X. Finite elem ent m odelingfor fatigue stress analysis of large suspension bridges J .J ourna l of Sound and V ibra tion, 2003, 261(3 :443-464.2W ong K Y, C han W Y K, M an K L. The use of struc

23、 2tural health m onitoring system in operation &m ainte 2nance of cable 2supported bridges C /One D ay Annua l Sem ina r S tructura l Sy mposium 2000H ighw ay and Ra il 2w ay S tructures . H ong Kong, 2000:108-133.3R en W X, Peng X L. B aseline finite elem ent m odelingof a large span cable 2stayed bridge through field vibra 2tion tests J .C omputers and S tructures, 2005, 83(8/9 :536-550.4(日 小西一郎. 钢桥:第一分册M.朱立冬, 译.北京:人民交通出版社, 1980:26-.5钱冬生, 陈仁福. M.修. 成都:, 1999:39-43.Som e m the nonlinear fi 2ent cable supported bridges J .S tructures, 1999, 71(4 :397-412