拉索損傷對(duì)斜拉橋靜力性能影響分析

張可心， 孫全勝

(東北林業(yè)大學(xué)， 黑龍江 哈爾濱　150040)

?

拉索損傷對(duì)斜拉橋靜力性能影響分析

張可心， 孫全勝

(東北林業(yè)大學(xué)， 黑龍江 哈爾濱150040)

[摘要]為研究拉索損傷對(duì)斜拉橋的影響，建立拉索損傷模型。以某雙塔雙索面斜拉橋?yàn)楸尘?，采用空間有限元模型對(duì)拉索損傷進(jìn)行力學(xué)分析，探討其拉索損傷對(duì)斜拉橋撓度和索力的影響”，計(jì)算結(jié)果可為同類斜拉橋監(jiān)測(cè)和維護(hù)提供參考。

[關(guān)鍵詞]斜拉橋； 拉索損傷； 靜力性能； 撓度； 索力

0前言

如今，橋梁監(jiān)測(cè)深受人們的重視。由于斜拉索自身特點(diǎn)和外界環(huán)境因素的影響，很容易發(fā)生損壞，研究拉索損傷對(duì)斜拉橋結(jié)構(gòu)性能的影響顯得尤為重要[1]。考慮到斜拉索的損傷必然導(dǎo)致其索力的變化及重分布，且斜拉索索力的變化也必然反映到橋面的撓度變化上[2]。本文以四方臺(tái)大橋?yàn)槔?，探討其拉索損傷對(duì)斜拉橋撓度和索力兩個(gè)方面的影響。

1工程概況

四方臺(tái)大橋采用雙塔雙索面半漂浮體系結(jié)合梁斜拉橋。主橋采用44 m(過渡跨)+136 m(邊跨)+336 m(主跨)+136 m(邊跨)+44 m(過渡跨)橋跨布置形式，設(shè)計(jì)荷載：汽車—超20級(jí)，掛車—120。雙向共四車道。索塔為門式塔，設(shè)置上下兩道橫梁。主梁截面以兩工字鋼邊梁肋、橫梁及中間小縱梁，與混凝土橋面板結(jié)合形成組合截面。兩工字鋼邊梁肋間距29.2 m。主梁在布索道處梁高為2.2 m。拉索采用φ7低松弛預(yù)應(yīng)力鍍鋅高強(qiáng)鋼絲。同心同向扭絞2°～4°，外包PE防護(hù)材料。全橋共計(jì)52對(duì)拉索，其絲數(shù)為163～367絲。橋型布置如圖1所示。

圖1　四方臺(tái)大橋總體布置(單位： m)Figue 1　Overall arrangement of sifangtai bridge(unit： m)

2拉索損傷分析

斜拉索在服役過程中承受車輛、風(fēng)、地震等自然因素和人為因素的作用，還要承受自然環(huán)境中化學(xué)腐蝕介質(zhì)的侵蝕[3，4]。根據(jù)斜拉索使用狀況的調(diào)查，斜拉索出現(xiàn)損傷主要原因有4種。 ①拉索局部疵點(diǎn)，如鋼絲缺陷、銹斑、缺陷等； ②拉索截面面積減少，如索股磨損、外界腐蝕導(dǎo)致拉索截面面積減少； ③斜拉索柔性特征和對(duì)環(huán)境的響應(yīng)，導(dǎo)致疲勞或者劇烈振動(dòng)。 ④偶然事故，如斜拉橋發(fā)生火災(zāi)，高溫下拉索極限強(qiáng)度急劇下降致使發(fā)生斷絲。無論何種原因?qū)е吕鲹p傷，當(dāng)損傷發(fā)生時(shí)，在一定程度上導(dǎo)致橋梁力學(xué)性能的改變。

2.1拉索損傷模型

斜拉索是由若干根平行鋼絲束組成，并且認(rèn)為承受單獨(dú)軸向力作用[5]。用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法來研究材料和結(jié)構(gòu)中的損傷，引入一維鋼絲束模型來進(jìn)一步表征其損傷特征，如圖2所示，假設(shè)平行絲束是由大量平行纖維絲組成，每根纖維絲是相互獨(dú)立的，沒有側(cè)向相互作用的剪應(yīng)力，而且纖維絲長(zhǎng)度一致，這與斜拉索中平行鋼絲組成是一致的。纖維束的力學(xué)性能完全取決于每根鋼絲的強(qiáng)度、剛度等，平行絲束的力學(xué)性質(zhì)跟每根平行絲的彈性模量分布情況有關(guān)，如果每根平行絲的彈性模量相同，那么他們所承受的應(yīng)力也會(huì)相同，為：

(1)

其中λ為斷裂平行絲(失效平行絲)數(shù)量與總平行絲數(shù)量比值，相當(dāng)于Kachanov損傷模型中的連續(xù)性變量φ，Rabotnov推廣概念中的損傷變量D。

圖2　平行束模型示意圖Figue 2　A Model for the parallel fiber

2.2不同拉索損傷分析

采用MIDAS/CIVIL進(jìn)行有限元模型建立，兩側(cè)鋼主梁梁肋、小縱梁及橫梁均采用梁?jiǎn)卧M，鋼主梁梁肋為主要承重構(gòu)件，其與中間小縱梁通過鋼橫梁進(jìn)行連接，形成空間梁格結(jié)構(gòu)，鋼橫梁與主梁及小縱梁通過共用節(jié)點(diǎn)連接在一起。混凝土橋面板通過均布力形式進(jìn)行模擬。有限元模型如圖3所示。

圖3　橋梁有限元模型圖Figue 3　Finite element model of the bridge

首先討論輔助跨、邊跨縱向不同拉索致?lián)p傷下，對(duì)主梁線型影響。便于分析，取既對(duì)稱于主梁軸線又對(duì)稱于橋跨跨中成對(duì)拉索作為研究對(duì)象，損傷程度取拉索斷裂狀態(tài)，分析在拉索斷裂情況下對(duì)橋梁主梁線形影響。邊跨、輔助跨損傷工況如表1所示，損傷后對(duì)主梁的撓度影響如圖4所示。其中跨中撓度變化百分比=(跨中撓度-無損工況跨中撓度)/無損工況跨中撓度。

表1 輔助跨、邊跨拉索損傷工況Table1 Cabledamageconditionofauxiliaryacrossandsidespan工況跨中撓度增量/mm跨中撓度變化百分比/%無損00 S13+N13(輔助跨)18514.62S11+N11(輔助墩)1198.19S8+N8(邊跨)271.92S6+N6(邊跨)20.02S1+N1(邊跨)-3-0.03

見圖4，通過S13+N13和S11+N11對(duì)比看出。背索對(duì)主梁線形影響較大，主跨撓度、邊跨反拱及過渡跨撓度增大明顯，尤其以最外側(cè)背索影響最大，相對(duì)于最外側(cè)背索，靠近內(nèi)側(cè)背索損傷對(duì)主梁線形影響有減小的趨勢(shì)。其它拉索損傷對(duì)主梁線形的影響，僅在其錨固在主梁位置處變化較大。可以通過S8+N8和S6+N6看出：由于拉索受損傷影響，其錨固處失去彈性支撐，加之恒載重力作用，導(dǎo)致錨固位置附近處下?lián)稀?/p>

由S1+N1及無損可以很清晰的看出，靠近主塔拉索損傷與無損情況下主梁線形幾乎一致，說明靠近主塔處拉索損傷對(duì)主梁線形影響非常小。

對(duì)于主跨拉索損傷的情況，取主跨長(zhǎng)索、中長(zhǎng)索和塔根處短索三組索進(jìn)行情況分析，拉索損傷工況如表2所示，主梁撓度變化情況如圖5所示。

表2 主跨拉索損傷工況說明Table2 Cabledamageconditionofmainspan工況跨中撓度增量/mm跨中撓度變化百分比/%無損00SC13+NC1336228.53SC7+NC75-0.30SC1+NC11-0.05

圖5　主跨不同拉索損傷下主梁撓度變化圖Figue 5　Main girder deflection of different cable damage of main span

由圖5可知：主跨部分拉索損傷對(duì)邊跨及過渡跨主梁線形影響非常小，與無損狀態(tài)相比，只有跨中拉索損傷時(shí)主梁下?lián)厦黠@，其它拉索損傷情況下主跨撓度變化較為平緩。

通過相同方法統(tǒng)計(jì)得到不同拉索損傷下，對(duì)全橋拉索索力變化影響，結(jié)果背索損傷下對(duì)其它拉索索力影響最大，那么以背索為例分析在不同損傷情形下其它索索力變化。南岸上游側(cè)單根拉索損傷時(shí)上游側(cè)拉索索力為U-SU13，上游側(cè)關(guān)于跨中對(duì)稱兩根拉索損傷時(shí)上游側(cè)索力為U-(SU13+NU13)，南岸一對(duì)拉索損傷時(shí)上游側(cè)拉索索力為U-S13，關(guān)于跨中對(duì)稱兩對(duì)拉索損傷時(shí)上游側(cè)索力為U-(S13+U13)，并與無損傷情況下形成對(duì)比。圖6為背索不同損傷情況下，其它拉索索力變幅，用來表示索力變化程度。

索力變幅=(損傷后索力值-無損索力值)/無損索力值。

圖6　背索不同情形損傷下索力變幅Figue 6　Cable force amplitude of different damage situation of dorsal funiculus

由圖6可見：沿主跨跨中不對(duì)稱損傷情況下跨中索力降低較明顯，通過U-SU13、U-S13和U-SU13+NU13、U-S13+N13比較很容易看出；成對(duì)背索同時(shí)損傷情況下，其附近3根拉索索力增加明顯，索力變幅均達(dá)到20%以上，通過U-S13、U-(S13+N13)和U-SU13、U-(SU13+NU13)比較很容易看出。

斜拉索設(shè)計(jì)強(qiáng)度為1 750 MPa，考慮2.5倍的安全系數(shù)，則斜拉索最大服役強(qiáng)度不能超過628 MPa。最外側(cè)背索S13斷裂損傷，導(dǎo)致臨近拉索S12索力雖然未達(dá)到警戒值，但富余量已經(jīng)很小，因此橋梁運(yùn)營(yíng)中外側(cè)背索應(yīng)受到特殊關(guān)注。

2.3拉索不同損傷程度影響分析

由2.1可知：不同拉索損傷下主梁線形變化可知，背索及跨中拉索損傷對(duì)斜拉橋?yàn)檎w性能影響，其它拉索表現(xiàn)為對(duì)橋梁局部性能影響，同時(shí)突出損傷對(duì)橋梁特性影響，因此以背索S13、S12共同損傷及SC13、SC12共同損傷為例，分析邊跨拉索不同程度損傷下，對(duì)橋梁線形和全橋索力影響。假定本橋根據(jù)損害模擬后彈性模量退減為25%、50%和75%，輔助跨背索和主跨背索不同損傷程度下?lián)隙茸兓鐖D7和圖8所示。

由圖7、圖8可見：在彈性工作范圍內(nèi)，拉索程度損傷對(duì)橋梁撓度影響的趨勢(shì)是不變的，表現(xiàn)為量的變化，隨著損傷程度的增加，撓度有加速增加的趨勢(shì)；非對(duì)稱拉索損傷時(shí)，損傷發(fā)生在邊跨時(shí)，主跨撓度峰值會(huì)靠近損傷側(cè)；損傷發(fā)生在主跨時(shí)，撓度峰值會(huì)背離損傷側(cè)。

為了分析不同拉索損傷程度對(duì)其它拉索影響，對(duì)背索(S13和S12)和兩對(duì)跨中拉索(SC13和由圖9、圖10可見：背索和跨中拉索損傷對(duì)彼此索力相互影響，但與自身附近拉索索力變幅比較則影響較小。損傷超過50%時(shí)，拉索附近的幾根索索力變幅超過10%?？缰欣靼l(fā)生損傷，其臨近長(zhǎng)索索力變幅比短索大。

圖7　背索(S13、S12)不同損傷程度下?lián)隙茸兓疐igue 7　Main girder deflection of different damage degree of dorsal funiculus(S13、S12)

圖8　主跨跨中索(SC13、SC12)不同損傷程度下?lián)隙茸兓疐igue 7　Main girder deflection of different damage degree of the middle cables of mainspan(SC13、SC12)

SC12)在不同損傷程度下對(duì)其它拉索影響進(jìn)行分析，現(xiàn)統(tǒng)計(jì)，背索和跨中拉索不同損傷程度下其它拉索索力變幅，見圖9和圖10。

圖9　背索(S13、S12)不同損傷程度下其它索索力變幅Figue 9　Cable force amplitude of different damage degree of dorsal funiculus

圖10　跨中索(SC13、SC12)不同損傷程度下其它索索力變幅Figue 9　Cable force amplitude of different damage degree of the middle cables of mainspan(SC13、SC12)

3結(jié)論

① 背索對(duì)主梁線形影響較大，主跨撓度、邊跨反拱及過渡跨撓度增大明顯。其它拉索損傷對(duì)主梁線形的影響，僅在其錨固在主梁位置處變化較大，由于其錨固處失去彈性支撐。近主塔處拉索損傷對(duì)主梁線形影響非常小。主跨部分拉索損傷對(duì)邊跨及過渡跨主梁線形影響非常小，只有跨中拉索損傷時(shí)主梁下?lián)厦黠@。

② 最外側(cè)背索S13斷裂損傷，導(dǎo)致臨近拉索S12索力雖然未達(dá)到警戒值，但富余量已經(jīng)很小，因此橋梁運(yùn)營(yíng)中外側(cè)背索應(yīng)受到特殊關(guān)注。

③ 在彈性工作范圍內(nèi)，拉索程度損傷對(duì)橋梁撓度影響的趨勢(shì)是不變的，表現(xiàn)為量的變化。非對(duì)稱拉索損傷時(shí)，損傷發(fā)生在邊跨時(shí)，主跨撓度峰值會(huì)靠近損傷側(cè)；損傷發(fā)生在主跨時(shí)，撓度峰值會(huì)背離損傷側(cè)。

④ 背索和跨中拉索損傷對(duì)彼此索力相互影響，但與自身附近拉索索力變幅比較則影響較小。損傷超過50%時(shí)，拉索附近的幾根索索力變幅超過10%。

[參考文獻(xiàn)]

[1]李振.拉索損傷對(duì)矮塔斜拉橋自振特性影響[J].公路工程，2013，38(5)：274-277.

[2]詹建輝，陳卉.特大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋主梁下?lián)霞跋淞毫芽p成因分析[J].中外公路，2005，25(1)：56-58.

[3]趙青，孫強(qiáng).拉索損傷對(duì)斜拉橋自振特性的影響分析[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，40(6)：654-657.

[4]徐俊.拉索損傷演化機(jī)理與剩余使用壽命評(píng)估[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2006.

[5]張志國(guó)，杜召華，殷春足.斜拉索火致?lián)p害及換索模擬計(jì)算分析[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，24(1)：12-15.

The Impact Analysis of Cable Damage on the Static Performance of Cable-Stayed Bridge

SUN Quansheng， ZHANG Kexin

(Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang 150040， China)

[Abstract]For the research of the impact of cable damage on the cable-stayed bridge.，cable damage model is established T.he paper takes the space finite element model for cable damage mechanical analysis based on the background of the cable-stayed bridge with double pylons and double cable planes，and it discusses the mechanical characteristics of relationship of main girder deflection and cable force based on cable damage，the results can be used for health monitoring and maintenance reference of the same type of bridge.

[Key words]cable-stayed bridge； cable damage； static performance； deflection； cable force

[收稿日期]2014-11-21

[作者簡(jiǎn)介]張可心(1989-)，男，遼寧新民人，博士，主要從事橋梁加固研究工作。

[中圖分類號(hào)]U 448.27

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1674-0610(2016)03-0035-05