斜拉索三角框架模型试验验证

斜拉索三角框架模型的试验验证

为了研究桥梁结构在施工过程和运营阶段的响应，实施了一项攻关项目，目标是通过安装仪器并连续监测，从部分关键构件的有限测点收集测量数据，进而弄清整个桥梁结构的性能。在vgcs斜拉桥结构中，三角框架结构是一个关键构件。故名思议其外形为三角形，它位于混凝土桥面结构中，其作用是将双箱梁承担的活载和恒载传递到斜拉索上（见图2），是位于桥面结构中的一个关键构件。业主担心三角框架结构在后张拉、搬运和安装过程中可能出现开裂，尽管这些裂缝可能会随着斜拉索的张拉而闭合，但是在100年的设计寿命期内这些裂纹会成为水分浸入的路径。因此，施工过程中的裂缝会带来一些维护的问题，还有可能缩短三角框架结构的使用寿命。在设计阶段，分析三角框架时采用杆单元建模，为了避免出现裂缝，本项目以第一批浇筑的一个构件作为研究对象。尽管该项目和桥梁的其他仪器安装工程同时进行，我们的研究目标仅针对三角框架结构。我们建立了三角框架结构的精细化三维模型，利用试验中关键部位的应变测量结果对该模型修正，然后将其用于表面裂缝的预测。在三角框架结构后张拉过程中，测量应变、检查裂缝情况，用以验证该模型预测的准确性。

由于几何构形复杂、随着施工过程而变化的边界条件和强大的后张拉力，三角框架结构的建模难度非常大。细长的斜杆以及大量的拉索和预应力锚块，导致难以精确地确定构件的相对刚度。经过深入研究之前的二维模型，设计了一个采用稀疏布置测量仪器的方案

以及经过修正的三维模型，以便更好的估计结构的真实状态。这样做比采用一套完整布置测量仪器的方案减少了费用，同时降低了建模假定的不确定性。

建立一个精确的模型非常重要，因为三角框架模型会被用到更大的、经过修正的整桥模型。通常来说，对于桥梁的施工过程分析，二维设计模型是保守的而且精度足够，但是为了评价成桥阶段的状态并辅助未来的维护，修正模型则是非常必要的。

论文接下来的内容包括仪器安装、数据采集、数据处理以及结果讨论，最后将论述预应力张拉的两个阶段中模型修正和应变验证的过程。

2仪器安装

为了验证分析模型，设计了一套仪器系统，针对荷载条件选择三角框架的关键部位安装应变计，用以收集应变数据。使下弦产生拉应力的关键事件是预应力钢束的张拉，张拉过程相对缓慢（张拉3束大约用时1小时），我们关心的是张拉前后下弦的应变状态。因此，以15分钟的采样率来获取所关心的应变。为了降低费用，三角框架的测量仪器采用能够和桥梁其他仪器采集系统兼容的产品。应变计采用基康（geokon， 1997）制造的振弦式应变计4200（埋入式）和4911 （姊妹杆），两种应变计均有内置热敏电阻用于检测温度和温度补偿。振弦式应变计的工作原理：弦线的谐振频率随着张力的改变而变化。在实际应用中，应变计包含一根弦线张紧于两个端块之间，当混凝土发生变形，埋置于其中的应变计两端块相对

运动，弦线的张力则随之变化。张拉弦线并通过电磁感应圈测量频率即可得到频率的变化量。埋入式的应变计长度较小（153mm），两端固定于小圆盘上，应变计长度内或者圆盘附近区域的裂缝会导致读数失效。姊妹杆式应变计长度较大（1384mm），固定于一段钢筋上，可以跨越局部的裂缝，因此裂缝不会导致平均应变读数失效。长度小的应变计可以测量更准确的应变峰值，而长度大的应变计可以在混凝土开裂的情况下测得有意义的结果。

如图8所示，布置了4个埋入式和4个姊妹杆式的应变计，详细位置列于表1，测量的结果包括由轴力和绕z轴、y轴弯矩产生的响应。两种类型的应变计各一个组成一组，每个立面的各个测量断面布置一组。同一竖向位置有两个应变计的冗余度，提高了获取关心位置应变的可能性。然而，由于两个应变计在同一立面内，不能分别获取同一截面的轴向力和弯矩产生的效应，须采用有限元模型分析内力和整体受力情况。因此，采用的应变计配置是一种稀疏布置的经济方案，能够测得关心的结果、具有足够的冗余度、能够验证有限元模型，同时费用较低。

3数据采集

自三角框架浇筑之日起，利用数据采集仪以15分钟的间隔进行连续的数据采集，唯一的中断是将三角框架从浇筑台座转移的储梁场。预应力初张拉时，数据采集间隔仍然是15分钟，而在预应力终张拉的过程中，采集间隔减少到1分钟。定期将采集的数据转存到笔记本电脑上。三角框架18b于2003年9月26日浇筑，9月30

日转移至储梁场，10月16日初张拉，2006年6月9日终张拉。

4支撑条件

5数据处理

5.1 初张拉（df2-df3-df1张拉）

6讨论

数据处理之后需要做的工作是将预应力张拉阶段的响应分离开

来（chamaria， 2004）。如图5所示，钢束df2和应变计188snto、188vsto、18bssbi位于同一竖平面（z坐标平均值为-10.58 in （-270 mm）），所以当张拉df2时，由于绕竖轴弯矩myy的作用，这些应变计处于受压状态，而位于z轴正向的应变计处于受拉状态（见表2）。df2是三角框架南侧的杆臂，相同的效应会出现于北侧的杆臂，不同之处在于北侧杆臂的应变增量较小。因此，钢束df2的张拉产生了非对称的应力场。

存储期过后，18b号三角框架通过驳船运至桥梁施工现场，吊装至安装位置，然后张拉钢束df4。钢束df4位于xz平面的中心线上（见图4），其张拉产生的效应与钢束df3相同，导致刚臂受压，拉索锚块相对于钢束锚块向下变位，在下弦的关键区域产生拉应力。7模型

三角框架的有限元模型通过初张拉和终张拉的测量结果进行修正。有限元分析程序采用larsa 4d（larsa， 2006），模拟了初张拉、施工工序以及随后的终张拉。由于larsa中只有梁单元才能考虑预应力效应，因此采用三维梁单元建模。结构信息均取自施工图，

包括几何信息，截面特性，混凝土、普通钢筋和预应力钢束的材料特性，钢束几何信息等。larsa将预应力钢束模拟为相对于梁单元中心线的等效荷载，当张拉钢束时，生成一个施加于相应构件的等效荷载的工况。钢束曲线的输入信息包括导点和曲率半径。施工时间安排信息来自施工单位提供的预应力张拉记录以及相关信息。表4所示为施工单位提供的预应力张拉记录。

在储梁场，三角框架有三个木块支点，精确模拟其边界条件非常困难。一个位于拉索锚块处，其他两个支点位于下弦杆，其中一个在中心线左边5.18m，另一个在中心线右边5.49m，拉索锚块处于悬臂状态。为了确定最终的理论支撑条件，在合理的范围变动约束条件以优化分析结果，使其与测得的结果吻合。从分析结果看，自由度的约束影响较大，约束的位置影响则不明显。

8模型修正和应变验证

通过变化拉索和钢束锚块刚度和约束条件来修正有限元模型，变换这些参数使理论分析结果和实测结果相吻合。为了使分析结果和记录数据联系起来，作如下假定：

（a）实测应变为应变计中心的结果。因为姊妹杆式和振弦式应变计的结果反映的是长度范围内的应变值，严格来说只有在弯矩图沿应变计线性分布这个假定才成立。通过有限元分析可以确认线性化假设成立。

（b）初张拉和终张拉过程中，忽略混凝土的徐变、收缩和松弛等时变效应。