南宁大桥系杆索力长期监测及评估探究.doc

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1、南宁大桥系杆索力长期监测及评估探究【摘要】柔性系杆刚性拱桥结构中系杆安全对于保证桥梁正常运营具有十分重要的作用，因此研究系杆索力在长期运营过程中的变化规律及系杆劣化过程具有一定的工程意义。本文结合南宁大桥健康监测系统，首先通过有限元对系杆索力温度效应及荷载效应进行分析，然后模拟系杆损伤对桥梁静态特性、动态特性及稳定性的影响，最后通过对南宁大桥健康监测系统中系杆索力监测数据分析，对系杆状态进行评估，为保证南宁大桥运营安全提供准确的依据。【关键词】系杆；健康监测；索力1.引言(1)系杆拱桥中承受拱端水平推力的拉杆称为系杆。它使拱端支座不产生水平推

2、力。按照系杆与拱肋刚度的比较，可分为刚性系杆和柔性系杆。刚性系杆既受拉力也受压力，柔性系杆只受拉。[1](2)下承式柔性系杆刚性拱桥中，系杆主要用于平衡拱脚处的水平力，同时也承受桥面传来的车辆荷载引起的水平力变化。系杆对桥梁静态特性、动态特性、稳定性及施工工艺均有重要影响。系杆可能的损伤形式包括系杆锈蚀、断丝、预应力失效等。系杆的损伤及破坏，会导致桥梁体系转变，将拱的巨大水平力直接作用于基础，造成结构的破坏。（3）在桥梁运营阶段，对于系杆索力监测提出了很多方法，包括振动法、磁通量法、压力环法及油表法。油表法一般用于施工中，振动法及磁通量法实时

3、性较差，而采用压力环对系杆索力进行监测具有精度高、实时性强的特点。[2]2.工程概况（1）南宁大桥单跨跨度300m,为世界上首座大跨径曲线桥梁非对称外倾拱桥，拱肋下部为混凝土拱肋，上部为钢箱梁拱肋，主梁为正交异性钢箱梁，位于平曲线R二40000上。主桥为双向六车道，桥面宽35米，属城市主干道I级，设计行车速度为50Km/ho主桥钢箱梁内共设置了32束系杆，其中直系杆16束，弯系杆16束。全部系杆索均贯通钢箱梁,并锚固于肋间平台上。系杆凸形竖曲线半径为9000m。弯系杆通过在每道主梁的横隔板上放置一个转向器实现转向，全桥共832个转向器。系杆的

4、最大局部偏转角度为0.38°,系杆的最大横向偏移量为0.33mm。由于南宁大桥结构新颖、独特，部分构件人工巡检难度较大，为保证其安全运营，因此为其建立了一套智能化运营期监测系统。（2）南宁大桥运营期监测主要由7个监测子系统组成,其中系杆索力监测系统主要采用中铁大桥局桥科院研发的光纤光栅压力环，全桥共布置了32个系杆光纤光栅压力环,采样频率设置为20Hz,分析软件基于MATLAB平台进行开发,包括索力分析、报警及对系杆索力评估等内容。2.系杆索力及损伤分析系杆在温度变化及系杆索发生损伤的情况下，系杆会发生预应力损失。在车载情况与温度变化的情况下

5、，弯系杆与钢箱梁之间发生往复摩擦，发生系杆损伤，或者系杆锚固端的破坏，都会导致桥梁预应力损失。系杆一旦发生预应力损失，会对桥梁支座反力及拱肋位移，桥面线形均有较大的影响。[3]3.2系杆预应力损失对支座水平力影响（见图2）。系杆预应力预应力损失后，拱肋对拱脚的水平分力主要由拱脚来承受，最终传递到基础上，基础承受过大的水平力是不利的，容易导致桥梁整体失稳。墩底在设计时采用的固结，通过分析发现系杆的预应力损失先通过内力重分配，拱脚承受一定的预应力损失值。承台及基础承受水平力的作用是有限的,在最不利情况下，若基础承受较大的水平力，可导致基础水平滑动

6、，系杆预应力损失完全转换为结构承受，结构进入内力重部分，在分析的时候将基础一端设置为固结，另一端改为滑动支座。计算分析结果表明：系杆索力损失与拱脚水平力基本成线性化变化，系杆每损失10%,拱脚增加13000KNo3.3系杆预应力损失对拱肋线形的影响。边界条件的改变对拱肋的影响是巨大的，而拱肋的安全性是南宁大桥的重中之重。南宁大桥拱肋设计为刚性拱，钢拱的稳定性主要表现为横向失稳，计算分析结果表明：预应力损失与拱肋横向、竖向变形具有同向性。系杆索力减少，拱肋系杆预应力损失10%,东拱肋向外侧横向横向偏移3.3mm,竖向位移2.5mm,西拱肋向外侧

7、横向偏移3.4mm,竖向位移2.6mmo（系杆索力损失对东拱位移影响见图3,系杆索力损失对西拱位移影响见图4）。3.4系杆预应力损失对桥梁线形的影响。钢箱梁挠度的关键断面为钢箱梁跨中断面。钢箱梁跨中挠度主要受到几个方面的影响，吊杆索力及钢拱肋位移。系杆索力不会直接钢箱梁挠度，但系杆索力通过对钢拱肋的位移间接影响了钢箱梁挠度及水平位移。通过计算分析结果表明：系杆预应力损失10%,钢箱梁跨中竖向1.8mm（系杆索力损失对钢箱梁跨中竖向位移影响见图5）。2.系杆长期监测数据分析系杆索力在实际测量过程中其变化缓慢。变化趋势比较稳定，光纤光栅压力环测试

8、精度较高，通过数据分析，可以将其长期变化趋势绘制出来，若系杆发生1%以上的预应力损失，通过此种方法是可以进行识别的。3.系杆索力的养护根据《公路工程评定标准》及《公