温度与车辆荷载对斜拉桥拉索索力的影响研究

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随着社会与桥梁工程领域的发展,斜拉桥结构越来越成为大跨度桥梁中最主流的桥型。作为斜拉桥主要受力构件的斜拉索,在运营过程中负担着几乎整座桥梁恒载与人车活载的重量。对于一座在运营桥梁,不仅车辆行驶会引起斜拉索索力的变化,环境温度的变化也会对桥梁各构件的受力造成影响,进而引起的拉索索力变化,这种变化往往会掩盖因拉索损伤带来的变化,给桥梁健康监测评估带来较大的困扰,因此研究分析温度与车辆荷载对拉索索力的影响尤为关键。本文基于有限元模拟分析与大量实测温度、车辆荷载数据分析进行对比,开展温度荷载、车辆荷载与索力的相关性研究。主要研究内容以及结论如下:(1)有限元模拟分析。通过Midas有限元分析软件建立某大桥有限元模型,分别研究斜拉索索力对体系温度、构建温度梯度以及车辆荷载的敏感度,以及三类影响因素所引起的索力变化。分析发现体系温度可以综合反映各构件温度梯度的影响,不同位置拉索的温度、车辆荷载效应均有所不同,对类似结构的斜拉桥应重点关注边跨端无辅助墩处的拉索以及中跨段中长索。(2)温度荷载与索力相关性。在近十个月的监测数据基础上进行环境温度与索力相关性分析,按10min、20min、30min、1h四种分析时距分别计算各时距内的代表值。利用FFT与PSD频率识别方法同时进行拉索频率识别,通过峰值提取法识别实测数据中的拉索频率,将得到的各拉索第二阶频率通过索力转换公式转换为索力,按不同时距计算十个月内温度传感器测得温度的平均值作为各时距内的温度代表值,按不同时距计算加速度均方根(ARMS)作为各时距内的车辆荷载代表值。同一时距下温度、索力与ARMS数据均得到相同个数的样本组,并按时间轴对应,各时距获得的样本个数分别为27504、13752、9168、4584个。为剔除车辆荷载的影响,选择ARMS值在[0.001,0.0012]区间内所对应的索力与温度样本进行相关性分析。分析发现:不同拉索的索力与温度之间呈不同的相关性:Y4、Y6、Z3索索力与温度间呈显著正相关,其中相关程度最大的为Y6,其相关系数约为0.82;Z6索呈显著负相关,其相关系数在0.18到0.22间变化;Z9、Z18索索力与温度间的相关程度可忽略不计;各拉索索力与温度荷载之间的相关性分析时应选择合适的分析时距。(3)车辆荷载与索力相关性。运用与前述相同的方法,利用ARMS值代替车辆荷载,分析不同时距下ARMS与索力相关性分析。选择各分析时距下温度值为[21,22]时刻所对应的索力与ARMS进行相关性分析,可最大程度剔除温度的影响。分析发现:不同拉索的索力与ARMS之间呈不同的相关性:Y4、Y6、Z3、Z18索索力与ARMS间呈显著正相关,其中相关程度最大的为Y6索,其相关系数约为0.48;Z6索则呈显著负相关,其相关系数在0.013到0.023间变化;Z9索索力与ARMS之间的相关性可忽略不计;各拉索索力与ARMS之间的相关性分析时应选择合适的分析时距。
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