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利用施工阶段检查桥梁有限元模型

P. S. Nimse, P.E., M.ASCE¹; D. K. Nims, P.E., M.ASCE²; V. J. Hunt³; and A. J. Helmicki⁴

摘要：VGCS是位于俄亥俄州的托莱多使用后张法修建的预应力混凝土斜拉桥的某一桥梁节段。在该桥梁中间的两个施工过程中，利用测量响应对桥梁的基线分析模型进行检查。通过检查，模型的边界条件和几何形状在各个阶段的建设和结构构件进展过程，使得模型准确地获得到桥梁每个阶段的结构响应。在施工过程中，通过施工荷载对模型的受力性能进行了验证。当桥梁竣工后，进行了静态和低速的汽车荷载试验，以验证最终模型的性能。这些试验是在大桥开通前进行的。当桥梁开通两年后再进行了一次测试。通过研究测得的响应与模型响应密切相关的这些荷载试验，从而证实了对于建立桥梁模型，利用施工荷载的有效性。对于VGCS这样一个节段桥，有着精确的施工阶段定义，因此可以利用施工荷载来检验基准模型竣工时的受力性能。

关键词：混凝土桥梁；桥梁节段；斜拉桥；现场荷载试验；有限元建模；模型检查

简介

Veteransrsquo;Glass City高速公路（VGCS）是一座使用后张法修建的预应力混凝土斜拉桥节段，该斜拉桥位于俄亥俄州市中心附近的托莱多莫米河i-280。桥梁主跨度为464.8米（1525英尺）。在桥梁建成后通过卡车负载测试来生成像VGCS这样代表性桥梁的基线信息正在成为一种行业规范。在测试过程中其中一个重要的步骤是审查反映竣工受力性能的模型。一般来说，通过汽车荷载试验得到的测量响应来评估模型。因为VGCS节段检测时需要不断地计算和采集数据，从那时起他们提供了一个独特的机会来监控从储存，安装到完成得到的响应。关于分析和测量反映之间有五点不同：（1）三角框架测试；（2）从承包商的模型中得到的应力变化的结果；（3）在施工期间模型测试试验；（4）2007年汽车荷载试验；（5）2009汽车荷载试验，证实该模型准确地获得竣工时的受力性能。这就意味着桥梁的刚度特性，桥梁几何的变化（例如增加桥梁节段或者增大拉索的张拉力）和施工过程中的边界条件可以准确地呈现。

斜拉桥的施工节段桥梁包括添加和拆除各种部分临时支架、预应力筋、节段等，以及整个施工过程中的其他变化。对于已提出或正在建设中的桥梁，如果这些模型是用于长期结构监测，在整个施工阶段过程中检查模型的结构是很有利的。这有利于更好地理解的桥梁的受力性能，并能准确的一步一步生成的实地验证桥模型，而且可用于未来的评估。

多年来，许多针对监测斜拉桥施工期间的短期和长期的计划实施了很多次。他们中的一些具体的，像只监测和验证某些部分或特性如德克萨斯的弗莱德哈特曼桥的拉索振动或者时间依赖性的受力性能。先前对于施工阶段监测和模型检查的例子，尤其是不易施工的结构，例如横向弯曲钢桥，正是Chavel和Fasl 等人所研究的。融入了斜拉桥应变测量的模型广泛地应用于许多项目，例如Sunshine Skyway桥上的Shahawy et al. 。后者包括安装在钢筋笼和斜拉索上的应变仪，通过这些来生成一个综合性的实地模型，并作为基准模型。在这方面，目前的研究是最接近Shahawy已经完成的研究。阳光高架桥的模型是采用施工阶段来建立的，但没有可用的信息来验证已经竣工桥梁的结构响应，而汽车荷载测试可以作为一个基准桥梁结构响应。目前工作的重点是长期性的使用。对于任何一个计算模型，本文提供的研究有一定的局限性。

最终的模型是基于使用稀疏阵列的仪器的手动更新，因此该模型在获得允许叠加的全局和线性响应是有局限的。由局部影响和极端非线性事件引起的响应不在本研究的范围之内。利用边界条件这样的参数来检查模型是非常重要的。

三角框架测试

对于VGCS中的模型，施工应变数据的首次应用是三角框架。在结构中三角框架是极其重要的部分。它们是三角形单元（图1），它将恒载和活载从两个箱型节段传递到到斜拉索。VGCS三角框架很难进行建模，因为在不同的施工阶段和后张法的过程中，几何形状和边界条件也不一样。在后张法过程中，对三角框架进行加载，下弦杆受拉，而在工作阶段下弦杆是受压状态。三角架在浇筑时安装并在整个后张法过程中全程监控后评估为开裂。然后根据三角框架的构件模型的尺寸集成到整个桥梁的施工阶段模型桥横截面。

图2和3是VGCS的三角框架以及南北向之间节段的横截面图。Nimse（2007）在调整后张法两个阶段中三角框架模型的同时详细描述了支座，数据还原技术，以及生成模型所遵循的程序。当三角框架在预制场预制时，开始张拉预应力筋DF1-DF3 DF2（按照顺序依次张拉），再将三角框架在桥上（图3）完成安装15分钟后张拉最后的预应力筋DF4。因此，仅仅是在后张法中只有短期作用下的弹性应变才能被用于校准，因为像徐变，收缩和钢束松驰这样的时间依赖性影响在这么短的时间并没有引起显著变化。

图1 拉索锚固处的桥梁横截面，包括两个箱型截面和三角框架

图2 桥梁横截面上三角框架的详细钢筋图

图3 在桥梁上安装三角框架（D. K. Nims的图片）

三角框架模型生成

本次研究中所有的三角框架和桥梁模型都是采用LARSA 4D 软件生成的。图4和5显示了三角框架模型在加载时的最初和最终阶段构造的模型。图6是三角框架的高度与仪器的位置，这些仪器与底部的和弦的长度对齐，它们附近的区域预计能具有较高的拉伸应力。每个位置都设有振弦式应变片和同类型的仪器。建模只能用梁单元，因为LARSA软件只能将钢筋加入到梁单元中。无论是非预应力混凝土和后张法预应力钢筋混凝土的结构参数，包括几何形状，截面特性，材料特性以及钢筋的几何特性都在Nimse等人的建筑图纸上详细地显示。他们还研究了斜拉索和钢筋锚碇处的参数例如刚度的影响。三角框架这样特定的构件是模拟观测工作的关键，因为后张法中的的荷载通过这些构件传递到下弦杆。研究发现具有三维几何尺寸且刚度很大的梁单元可以精确的模拟测量响应中的受力性能。

图4 后张法的初始阶段，张拉DF1-DF3-DF2的模型

图5 后张法的最后阶段，张拉DF4的模型

图6 三角框架立面图和仪器布置（18B SNTO）

将LARSA模型（Nimse等人2013年）中得到的应力转化成应变（见表1和表2），并与所测得的数据对比。初始张拉和最终张拉需要分开考虑。但是无论是最初还是最后的张拉，该数据被选定为在后张法开始前的应变值。

表1 初张拉时测量应变与分析应变对比

表2 张拉DF4后测量应变与分析应变对比

三角框架模型按照DF1–DF3–DF3预应力钢筋张拉顺序进行检查。然后，改变边界条件来反映加入三角形框架的桥梁横截面模型。在DF4张拉时，三角框架测出的响应表现出与可分析应力之间良好的相关性。因此，逐步生成三角框架模型的过程，导致这个模型准确地计算三角框架的刚度，使其被合并在一个更大的模型的整体模型的响应是准确的。

桥梁测量仪器

在VGCS段中用到的仪器的稀疏排列的（图7）。稀疏阵列在关键位置设置相对较少的传感器来验证模型的整体响应。密集阵列则相反，它设置较多的传感器来测量模型局部响应。在VGCS，更为经济的稀疏排列适合桥梁受力，且能满足成本的限制。图8显示的是南向和北向中代表性节段仪器的大致位置图。仪器对称地布置在南向和北向节段。每一节段设置16个仪器。测量仪成对地安装在八个地点。每一对都有一个金属应变片和一个嵌入式应变片。振弦式应变片的采样速率是每分钟一次，每一次读数需要几秒钟，而对于嵌入式应变片的采样速率为每秒200，而每一个读数需要毫秒。长期测量和在静态载荷位置汽车荷载测试采用更加稳定的振动式应变仪。嵌入式应变片用于动载，如低速汽车荷载的测试，以及缓慢的施工活载，如节段梁搬运车运动和吊车的起升。振动式应变片连接到一个电池供电的坎贝尔科学（坎贝尔科学2014）数字数据记录器，能够连续采集数据。嵌入式应变片设置在安全的地方，当需要的时候，把它们连接到的Optim Megadac数据采集系统（DAS）（定制测试方案2014）。

图7 VGCS斜拉桥和仪表段的立面图

选择安装仪器的节段的主要标准是预测应力和评级要素，它们使用由设计者所提供的分析数据计算出来。在每一个节段，要选择好方便安装仪器的位置，而且能够准确的测量结构响应。要注意的是仪器不能设置在应变集中的位置，例如三角框架与改变纵向预应力筋的斜拉索锚固块和转向块的连接处。

模型说明

在 Nimse (2007)可以找到关于生成模型的详细描述。前面描述的三角框架模型用于模拟在全桥模型的三角框架的构件刚度。这是有信心完成，因为三角框架模型相关结果与所测量的数据密切匹配，这表明用来代表三角框架的单元可以准确地模拟在不同荷载和边界条件下的刚度。LARSA 4D（2014）可以生成三维有限元

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