大跨度斜拉橋拉索安全性分析方法研究

【摘要】對(duì)斜拉橋結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行衡量的最為關(guān)鍵的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)就是運(yùn)營(yíng)期間斜拉橋斜拉索的安全性。出于對(duì)斜拉索鋼絲與高強(qiáng)拉絲不均勻性之間相互影響的考慮，本文立足于可靠度觀點(diǎn)對(duì)橋梁運(yùn)營(yíng)條件下斜拉索安全系數(shù)的變化進(jìn)行了分析，然后以此為基礎(chǔ)對(duì)分析大跨度斜拉橋拉索安全性的有效對(duì)策進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】斜拉橋；拉索；安全系數(shù)

對(duì)斜拉橋結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行衡量的重要指標(biāo)就是運(yùn)營(yíng)期間斜拉橋斜拉索的安全性，由于鋼絲本身的疲勞和銹蝕而導(dǎo)致斷裂，這一現(xiàn)象是導(dǎo)致斜拉索受到破壞的關(guān)鍵原因，斜拉橋在使用期間的失效事故大部分都是由拉索失效引發(fā)的。本文以某大橋斜拉索工程為例，對(duì)大跨度斜拉橋拉索安全性的分析方法進(jìn)行了分析。

1.大跨度斜拉橋拉索強(qiáng)度模型分析

大跨度屋蓋中的索承體系、吊橋的吊索、懸索橋的吊索和主纜、斜拉橋的斜拉索等在對(duì)靜荷載和動(dòng)荷載進(jìn)行承受的時(shí)候都采用了纜索。通常在設(shè)計(jì)階段將組成索的鋼絲公稱(chēng)破斷力加起來(lái)作為鋼索公稱(chēng)破斷索力。但是因?yàn)樵诮Y(jié)構(gòu)評(píng)估階段需要對(duì)拉索承載力進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算，并且要對(duì)在增長(zhǎng)的荷載作用下鋼索出現(xiàn)的失效過(guò)程的復(fù)雜性進(jìn)行考慮，對(duì)鋼絲在承受荷載和變形的時(shí)候出現(xiàn)的索內(nèi)斷絲、腐蝕、交互效應(yīng)等情況的綜合影響進(jìn)行考慮[1]。

2.采用Monte Carlo法對(duì)拉索強(qiáng)度進(jìn)行估算

首先，鋼絲樣本本構(gòu)之間的關(guān)系：因?yàn)槭艿搅嗽囼?yàn)設(shè)備條件的影響，一般從鋼絲樣本的室內(nèi)拉伸試驗(yàn)中對(duì)拉索的強(qiáng)度進(jìn)行研究。在工程施工后期，分別選取其上游兩個(gè)拉索中的長(zhǎng)鋼絲實(shí)施靜力試驗(yàn)。本文以試驗(yàn)結(jié)果為根據(jù)，選擇兩階段模型對(duì)拉索鋼絲的本構(gòu)特性進(jìn)行模擬，采用線(xiàn)性對(duì)第一階段進(jìn)行表示；采用簡(jiǎn)化成線(xiàn)性的方式對(duì)樣本非線(xiàn)性后屈服特性進(jìn)行表示。盡可能少的控制點(diǎn)、計(jì)算更加方便、簡(jiǎn)單是簡(jiǎn)化鋼絲將本本構(gòu)關(guān)系時(shí)必須遵守的原則。通過(guò)對(duì)E、εe、εu、σu等四個(gè)隨機(jī)變量的利用，以試驗(yàn)結(jié)果為根據(jù)對(duì)隨機(jī)變量的統(tǒng)計(jì)分布參數(shù)進(jìn)行確定，其中統(tǒng)一量均值和試驗(yàn)均值之比就是均值系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)差與均值之比就是變異系數(shù)[2]。統(tǒng)一的統(tǒng)計(jì)分布式所有變量的服從對(duì)象。在本次研究中選擇對(duì)數(shù)正態(tài)分布和正態(tài)分布，并未對(duì)隨機(jī)變量之間的相關(guān)性等進(jìn)行考慮，各個(gè)變量之間假設(shè)具有相互獨(dú)立性。下表1為隨機(jī)變量的統(tǒng)計(jì)分布。

其次，鋼絲本構(gòu)關(guān)系：采用簡(jiǎn)化模擬的方式將一根鋼絲模擬成一個(gè)串聯(lián)系統(tǒng)，這個(gè)串聯(lián)系統(tǒng)是由m段鋼絲試樣共同組成的，那么該鋼絲的強(qiáng)度也就是其中最弱節(jié)段的強(qiáng)度。采用L和L0來(lái)表示鋼絲的長(zhǎng)度和節(jié)段長(zhǎng)度。這時(shí)候如果將拉力施加在鋼絲端部，就會(huì)有不同的應(yīng)變出現(xiàn)于不同的節(jié)段。在這種情況下，這個(gè)問(wèn)題就變成了串聯(lián)問(wèn)題。

最后，拉索模型強(qiáng)度：可以采用鋼絲串聯(lián)模型對(duì)平行鋼絲束拉索的強(qiáng)度進(jìn)行模擬，在斜拉索中不需要對(duì)斷裂后鋼絲的摩擦效應(yīng)進(jìn)行考慮，認(rèn)為一旦某根鋼絲出現(xiàn)斷裂的情況就會(huì)在承載中退出去。在鋼索平均強(qiáng)度不斷減小的同時(shí)，其同時(shí)也具有越來(lái)越小的強(qiáng)度變異系數(shù)，特別是一些中等數(shù)量鋼絲的拉索中這個(gè)定值就是其平均強(qiáng)度。而這個(gè)效應(yīng)就是所謂的Daniel效應(yīng)，在該大橋拉索中鋼絲數(shù)位109—301，因此必須考慮Daniel效應(yīng)的影響。

3.分析拉索的安全性

3.1被活載引起的最大索力

在非線(xiàn)性幾何分析大跨度斜拉橋時(shí)，分析的初態(tài)應(yīng)該為恒載狀態(tài)，分析活載的內(nèi)力。如果斜拉橋的跨度不大于600米，可以使用線(xiàn)性撓度來(lái)對(duì)其進(jìn)行分析。在初始狀態(tài)下，可以對(duì)索力的影響線(xiàn)進(jìn)行直接計(jì)算，通過(guò)一次性加載，將最不利的加載位置分析出來(lái)。

首先，通過(guò)非線(xiàn)性專(zhuān)用和橋梁線(xiàn)性，并使用系統(tǒng)BAP活載分析程序，能夠?qū)⑿崩鞯乃髁τ绊懢€(xiàn)分析并計(jì)算出來(lái)[3]。

其次，按照最不利的位置來(lái)對(duì)索力影響線(xiàn)進(jìn)行布置。

最后對(duì)其影響線(xiàn)進(jìn)行加載，能夠?qū)⒉煌钶d形式得到的最大活載索力增量求出來(lái)。

3.2分析恒載索力

通過(guò)優(yōu)化方法能夠得出設(shè)計(jì)階段拉索的恒載索力。但是實(shí)際施工中計(jì)算理論的簡(jiǎn)化以及其他因素都會(huì)對(duì)索力產(chǎn)生直接的影響。在完成施工之后，為了得到成橋索力還要對(duì)其進(jìn)行調(diào)索。在橋梁的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，橋梁結(jié)構(gòu)會(huì)受到各種因素的影響而出現(xiàn)局部或者整體損傷，例如溫度影響、環(huán)境侵蝕、荷載作用等等。

3.3分析安全性

按照一定的方法可以求出拉索95%強(qiáng)度保證值的安全系數(shù)?；钶d在不同的檢測(cè)期會(huì)有所差別，從而影響安全系數(shù)，但是變化值較小。因此在進(jìn)行拉索安全系數(shù)計(jì)算時(shí)只需考慮斷絲概率的演化公式，不必考慮活載的影響。

4.結(jié)語(yǔ)

本文認(rèn)為以鋼絲樣本實(shí)驗(yàn)結(jié)果為根據(jù)，能夠?qū)π崩鞯膹?qiáng)度特性進(jìn)行模擬，如果鋼絲數(shù)量少于500，還要考慮到Daniel效率。在對(duì)斜拉橋?qū)鬟M(jìn)行安全評(píng)估時(shí)要考慮到斷絲概率的線(xiàn)性增長(zhǎng)。本文的結(jié)果可以被應(yīng)用于評(píng)定斜拉索的安全性，并與斜拉橋運(yùn)營(yíng)期間的索力檢測(cè)相結(jié)合，作為拉索維護(hù)和進(jìn)一步損傷檢測(cè)的重要參考。

參考文獻(xiàn)

[1]朱立偉，李宏偉，等.基于人工魚(yú)群算法的大跨度斜拉橋模型修正算法研究[J].公路交通技術(shù). 2015，（01） .

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[3]徐登云，孫小猛，趙飛，等.超高鉆石型索塔“拉桿一撐桿”優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì). 2015，（04）.