摘 要

叠合梁斜拉桥具有跨越能力大、受力合理、施工方便，可采用悬臂施工等优点，与其它形式的斜拉桥相比，有着很大的竞争优势。然而在桥梁的运营过程中，由于材料腐蚀、构件缺陷与超常荷载的影响，桥梁结构往往会发生损伤，导致其承载能力降低。若遇到大风强震等偶然荷载作用时，结构由于承载能力不足很可能出现极为严重的破坏。结构健康监测系统（SHM）是一项具有基础性意义的工作，通过对其运营状况进行实时监测，并基于结构的健康状态进行诊断、识别与预测，从而对大跨度桥梁进行安全性评估。

本文以采用叠合梁斜拉桥形式的赤壁长江公路大桥为研究对象，基于中铁大桥勘察设计院提供的设计施工图纸与现行规范，使用有限元软件MIDAS CIVIL建立赤壁长江公路大桥的空间整体有限元模型，并在模型上合理地设置边界条件，分析主桥在自重、二期恒载、车辆荷载、人群荷载、风荷载与温度荷载下结构响应的分布规律，同时针对在实际运营过程中可能出现的状况对以上荷载进行组合，再计算主桥在各种工况组合下的位移、内力（弯矩、剪力与轴力）、应力与索力，最后提取叠合梁、索塔与斜拉索的最不利响应，以作为桥梁结构长期健康监测系统的传感器的报警阈值。

关键词：叠合梁；斜拉桥；结构健康监测

ABSTRACT

The composite beam cable-stayed bridge has the advantages of large spanning capacity, reasonable force, convenient construction and cantilever construction. Compared with other forms of cable-stayed bridge, it has a great competitive advantage. However, in the process of bridge operation, due to the influence of material corrosion, component defects and supernormal load, the bridge structure will often be damaged, resulting in the reduction of its bearing capacity. In case of accidental loads such as strong winds or earthquakes, the structure may be seriously damaged due to insufficient bearing capacity. Structural health monitoring system is a fundamental work. The safety of the large spanning bridge is evaluated by real time monitoring of its operation status and diagnosis, identification and prediction based on the health status of the structure.

In this paper, Chibi Yangtze river highway bridge in the form of composite beam cable-stayed bridge is taken as the research object. Based on the design and construction drawings provided by BRDI and current specifications, this paper uses the finite element software MIDAS CIVIL to establish the spatial finite element model of Chibi Yangtze river highway bridge. In addition, boundary conditions are reasonably set on the model to analyze the distribution law of structural response of the main bridge under the self-weight, secondary dead load, vehicle load, crowd load, wind load and temperature load. At the same time, the above loads are combined according to the possible conditions in the actual operation process, and then the displacement, internal force (bending moment, shear force and axial force), stress and cable force of the main bridge under various working conditions are calculated. Finally, the most unfavorable responses of the composite beams, tower and cables are extracted as the alarm threshold of the sensors in the long-term health monitoring system of the bridge structure.

Key words：composite beams；cable-stayed bridge；Structural Health Monitoring

目 录

摘 要 1

ABSTRACT 2

1 绪论 1

1.1 叠合梁斜拉桥概述 1

1.2 结构健康监测系统 4

1.3 本文研究内容 5

2 赤壁长江大桥有限元建模 6

2.1 引言 6

2.2 赤壁长江大桥概况 6

2.3 有限元模型的建立 8

3 赤壁长江大桥计算分析 13

3.1 工况组合下位移分析 13

3.2 工况组合下主梁内力分析 22

3.3 工况组合下主梁应力分析 34

3.4 工况组合下索塔内力分析 45

3.5 工况组合下索塔应力分析 59

3.6 工况组合下斜拉索索力分析 66

4 长期健康监测系统传感器阈值研究 76

4.1 长期健康监测的内容 76

4.2 长期健康监测系统阈值的设定方法 76

4.3 长期健康监测系统阈值的设定 77

5 结论 86

参考文献 87

致谢 89

1 绪论

1.1 叠合梁斜拉桥概述

1.1.1 叠合梁斜拉桥的特点及发展简史

随着国民经济及交通事业的快速发展，大跨径桥梁日益增多，由于叠合梁斜拉桥具有跨越能力大、受力合理、可采用悬臂施工等优点，其在桥梁建设领域有着广泛的应用。

叠合梁斜拉桥属于钢-混凝土组合结构体系。组合结构是在传统桥梁结构形式的基础上发展起来的新型结构体系^[1]。组合结构综合了传统钢结构与混凝土结构的优点，同时避免了钢结构造价高、易失稳与耐火性差等不足，以及混凝土结构自重大、工期长与延性差等缺点。目前应用广泛的组合结构有钢管混凝土，型钢混凝土，叠合板组合梁和波纹腹板组合梁。其中叠合板组合梁简称叠合梁，其结构特点是：（1）桥面板采用预制混凝土板以代替价格昂贵且易发生疲劳破坏的正交异形钢板；（2）采用剪力连接件从而使得钢与混凝土成为共同受力的整体；（3）桥面板纵向跨在钢横梁之间，使局部荷载在桥面板上产生的拉应力与整体结构体系所产生的桥面板压应力相叠加^[2]。

斜拉桥是一种桥面体系（加劲梁）受压，支撑体系（斜拉索）受拉的桥型结构，斜拉桥的三大主体构件分别是主梁、斜拉索与主塔。斜拉桥的传力机理^[3]是运营阶段下的荷载直接作用在加劲梁上，再传递至斜拉索，进而传递至主塔，最后由桥墩传递到基础与地基。世界上第一座斜拉桥是建于1955年的瑞典stroemsund桥，其跨径布置为（74.7 183 74.7）m，随后斜拉桥便在世界上蓬勃发展，出现了德国Fridrich Ebert桥，法国Normandy桥以及日本Tatara桥等优秀桥梁。叠合梁斜拉桥的设计理念最早出现在1982年德国教授Leohardt的美国Sunshinesky way桥投标方案中^[4,5]，虽然由于定价过高导致未中标，但该招标方案奠定了现代叠合梁斜拉桥的基础。世界上第一座叠合梁斜拉桥是主跨为465m的加拿大Annacis桥，其世界第一的跨径记录保持了7年之久。国内第一座叠合梁斜拉桥是主跨为423m的上海南浦大桥，南浦大桥的设计借鉴了Annacis桥的经验，同时又有许多技术创新，比如边孔设置辅助墩以提高斜拉桥的总体刚度，过渡孔及尾端采用混凝土结构以增大边跨压重等。叠合梁斜拉桥以其合理的结构形式与显著的社会效益，上海市随后建造的杨浦大桥与徐浦大桥也采用了叠合梁斜拉桥的结构体系。

叠合梁斜拉桥既保持了斜拉桥跨越能力大，可采用悬臂施工的特点，又具有组合结构受力合理，施工周期短等优点，且有很大的顺桥向抗弯刚度和横桥向抗扭刚度。在斜拉桥跨度400m-800m的区间中，混凝土斜拉桥由于自重过大导致基础造价不断上升，钢斜拉桥的正交异形板价格昂贵且易发生疲劳破坏，因此叠合梁斜拉桥与混凝土斜拉桥和钢结构斜拉桥相比，有很大的竞争优势^[6]。由于以上优点，在世界各国的桥梁建筑中，叠合梁斜拉桥在近四十年间得到了快速发展，最大跨径从423m发展到720m，成为在大江大河上建造大跨度桥梁中广泛采用的结构形式之一。国内典型的叠合梁斜拉桥^[7,8]见表1.1。

表1.1国内典型的叠合梁斜拉桥（单位：m）

1.1.2 叠合梁斜拉桥的存在的问题

叠合梁斜拉桥并不是一个完美的结构形式，其自身存在着一些问题以待解决。

（1）负弯矩区的不利影响

叠合梁斜拉桥的加劲梁在桥墩处附近会出现负弯矩区，此时会出现钢主梁受压，桥面板受拉的不利状况，桥面板为钢筋混凝土结构，应尽量避免桥面板出现拉应力导致开裂，一旦开裂，腐蚀性气体或液体会损坏桥面板中的钢筋、剪力钉与钢梁结构，大大降低了桥梁的使用耐久性。目前一般采用全漂浮体系或半漂浮体系以减少钢主梁在桥塔的负弯矩，桥梁边跨采用预应力来减小桥面板处的最大拉应力。

（2）钢主梁与桥面板间的滑移效应

叠合梁中的钢主梁与桥面板是通过剪力连接件联结从而共同工作，目前柔性剪力钉应用最为广泛，在钢-混凝土结合面处的水平剪力作用下，剪力钉会出现滑移，从而使得叠合梁的刚度减小，导致叠合梁的挠度增大。有限元分析过程中，若采用刚性连接模拟剪力钉，所得到的位移值是偏危险的。Faella^[9]建立一种能反映剪力钉的非线性荷载-滑移曲线的单元，以此对叠合梁挠度进行计算。蒋丽忠^[10]等学者采用理论推导的方法，研究在线弹性范围内下，简支叠合梁的滑移-挠度计算公式。王文炜^[11]等学者采用数值模拟与实验验证相结合的方法，对考虑滑移影响的叠合梁的挠度进行分析。目前钢结构设计规范中^[12]，通过使用刚度折减系数来考虑剪力钉的滑移效应。

（3）桥面板的剪力滞效应

箱型梁在纵向弯矩M_y的作用下，其弯曲正应力在上下翼缘的传递是通过腹板的剪切变形来实现的，由于翼缘的剪切变形致使腹板中的剪应力在向翼缘板传递的过程中会产生滞后，导致弯曲正应力在横向分布呈曲线形式，这种现象称为剪力滞效应。以箱型梁的剪力滞效应为例，见图1.1。刘洋^[13]等人以河口大桥为例，基于能量变分法与矩阵分析法，建立pi;形钢-混凝土组合梁斜拉桥截面任意位置剪力滞效应分析的有限梁段公式及剪力滞系数计算公式，并通过施工现场实验对该桥施工过程中的剪力滞效应进行分析。谢泽福^[14]等工程师以厦漳跨海大桥南汊主桥为例，在实桥布置4个测试截面，并用ANSYS软件建立主梁的有限元模型，对施工阶段结合梁的剪力滞效应进行现场测试和数值分析。

图1.1 箱型梁的剪力滞效应

（4）斜拉索的风致效应

风致效应不仅存在于叠合梁斜拉桥中，斜拉桥体系中的每种斜拉桥都受到或大或小的风致效应影响。斜拉索的特点相对质量小，柔度大，阻尼小以及自振频率易变化，在风荷载作用下斜拉索会出现不同类型的振动，从而影响桥梁结构的安全。斜拉索的振动类型可分为经典涡激振动、抖振、驰振与风雨振。季小勇等学者^[15]基于SST湍流模型，利用RANS方法，对斜拉桥斜拉索二维模型涡激振动进行了研究。李晓渝等学者^[16]采用了有限元的方法研究了局部的斜拉索振动对斜拉桥抖振响应的影响。李薇^[17]利用风洞实验与理论推导的结果，对斜拉索的风雨振产生机理及控制措施进行了研究。

1.2 结构健康监测系统

1.2.1 结构健康监测的目的与意义

大跨度桥梁的设计使用年限通常为几十年乃至上百年，在桥梁的运营过程中，由于材料腐蚀、构件缺陷与超常荷载的影响，桥梁结构往往会发生损伤，导致其承载能力降低，影响桥梁的正常营运。若遇到大风强震等偶然荷载作用时，结构由于承载能力不足很可能出现极为严重的破坏。因此通过对大跨度桥梁运营状况进行实时监测，并基于结构的健康状态进行诊断、识别与预测，从而对大跨度桥梁进行安全性评估。

结构健康监测系统的目的与意义，可以归纳为以下几个方面：

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