基于纜索體系性能退化的懸索橋易損性分析

巫生平

基于纜索體系性能退化的懸索橋易損性分析

巫生平

(福建江夏學(xué)院工程學(xué)院 福建福州 350108)

從結(jié)構(gòu)正常使用極限狀態(tài)的要求考慮，提出了纜索結(jié)構(gòu)的易損性評(píng)價(jià)參數(shù)。以某自錨式懸索橋?yàn)楣こ瘫尘埃肧AP2000有限元軟件建立損傷模型，基于纜索整體性能退化和單根吊索斷裂進(jìn)行結(jié)構(gòu)易損性分析。結(jié)果表明，纜索整體性能退化時(shí)，性能退化程度與結(jié)構(gòu)易損性成非線性關(guān)系，且主纜易損性大于吊索易損性。當(dāng)發(fā)生單根吊索斷裂的極端事件時(shí)，短跨次短吊索和主跨跨中到輔助墩的吊索斷裂會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能不滿足正常使用極限狀態(tài)的要求，在橋梁長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)過程中應(yīng)予以重視。

性能退化；懸索橋；纜索結(jié)構(gòu)；易損性；監(jiān)測(cè)

0 引言

近年來，國(guó)內(nèi)外許多大型工程結(jié)構(gòu)破壞和倒塌事故時(shí)有發(fā)生，為保證其運(yùn)營(yíng)的安全性，都建立了不同規(guī)模的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。面對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)海量數(shù)據(jù)的問題，傳感器優(yōu)化布置始終是學(xué)者研究的一個(gè)熱點(diǎn)。易損性分析是解決這一問題的有效手段，但目前這方面的研究還較少[1]。

易損性在土木工程領(lǐng)域不同研究方向上有著不同的定義和表述[2-4]。柳承茂[5]以桁架結(jié)構(gòu)為例，基于結(jié)構(gòu)冗余關(guān)聯(lián)矩陣，從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和失效場(chǎng)景兩個(gè)方面定量分析其易損性。同時(shí)，基于應(yīng)變能原理分析了框架結(jié)構(gòu)的失效場(chǎng)景。姜紹飛等[6]基于構(gòu)件剛度的重要性系數(shù)，通過其與冗余度的關(guān)系來搜索、確定結(jié)構(gòu)的失效模式，并提出采用結(jié)構(gòu)應(yīng)變能來評(píng)價(jià)失效模式的損傷需求，進(jìn)而確定最易損結(jié)構(gòu)失效路徑。于剛等[7-8]則從塑性極限承載能力出發(fā)，提出了結(jié)構(gòu)易損性評(píng)價(jià)指標(biāo)，以桁架結(jié)構(gòu)為研究背景，用機(jī)動(dòng)結(jié)構(gòu)生成法計(jì)算出極限荷載因子及對(duì)應(yīng)的失效模式，同時(shí)在已知結(jié)構(gòu)性能要求的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)出極限荷載因子與各種損傷場(chǎng)景下不同損傷程度之間的關(guān)系，以此判斷結(jié)構(gòu)最易發(fā)生破壞的模式。

總體看來，易損性分析尚處于起步階段，已有研究主要針對(duì)桁架結(jié)構(gòu)展開，分析特定荷載作用下的薄弱環(huán)節(jié)或結(jié)構(gòu)連續(xù)性破壞的次序，未考慮結(jié)構(gòu)整體性能對(duì)突發(fā)事件引起的構(gòu)件性能退化的敏感性問題。因此，本文考慮長(zhǎng)期荷載和極端荷載的影響，從構(gòu)件性能退化角度出發(fā)，建立纜索體系的易損性評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析了某懸索橋的易損性，為同類橋梁監(jiān)測(cè)及養(yǎng)護(hù)提供參考依據(jù)。

1 構(gòu)件性能退化場(chǎng)景

結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能退化是指在長(zhǎng)期的自然環(huán)境和工作狀態(tài)下，由于腐蝕或材料老化等原因造成的截面面積減小和材料性能降低。這個(gè)過程是長(zhǎng)期、復(fù)雜的且不可逆的過程。對(duì)于懸索橋而言，構(gòu)件性能退化場(chǎng)景主要分為兩大類別：一類是由于長(zhǎng)期腐蝕導(dǎo)致的纜索構(gòu)件截面削弱，或由鋼結(jié)構(gòu)材料老化導(dǎo)致的性能降低；另一類則是由于突然事件或者嚴(yán)重腐蝕導(dǎo)致某根構(gòu)件失效而引起結(jié)構(gòu)局部坍塌或整體破壞。

在橋梁健康監(jiān)測(cè)過程中，為保證及時(shí)發(fā)現(xiàn)橋梁腐蝕引起的結(jié)構(gòu)性能變化，保障交通出行安全，及早做出養(yǎng)護(hù)管理決策，基于上述兩類性能退化場(chǎng)景的考慮，本文分析了纜索體系整體性能同步退化對(duì)結(jié)構(gòu)易損性的影響，以及不同吊索突然斷裂損傷場(chǎng)景引起的結(jié)構(gòu)性能變化程度。

2 易損性分析評(píng)價(jià)參數(shù)

(1)

(2)

懸索橋在運(yùn)營(yíng)期間纜索體系由于復(fù)雜的外界因素影響，更容易導(dǎo)致腐蝕。吊索與橋面連接節(jié)點(diǎn)也有受到汽車撞擊導(dǎo)致突然斷裂的可能，這與吊索的受力無關(guān)，屬隨機(jī)偶然因素。如遇汽車偶然撞擊，很可能帶來嚴(yán)重的后果。因此，引入第二個(gè)易損性評(píng)估參數(shù)MI，其定義有兩層含義：其一，對(duì)于整體性能退化結(jié)構(gòu)，MI表示損傷程度；其二，對(duì)于不同的損傷場(chǎng)景，MI表示歸一化描述損傷構(gòu)件占總體同類構(gòu)件比例的參數(shù)。

(3)

式中：MIa為指定的損傷場(chǎng)景；i代表不同的構(gòu)件。如圖1所示，當(dāng)MI=MIa時(shí)，r2,r3MIa，所以損傷場(chǎng)景2和損傷場(chǎng)景3為易損場(chǎng)景，且場(chǎng)景2比場(chǎng)景3更先發(fā)生。

對(duì)于第二種情況，每個(gè)損傷場(chǎng)景對(duì)不同構(gòu)件將會(huì)得到一系列的CIDi值，影響較大的構(gòu)件CID值也較大，影響較小的構(gòu)件CID值也較小，不產(chǎn)生影響的構(gòu)件則CID為零。因此，對(duì)于易損性分析而言，只需要比較不同損傷場(chǎng)景中的最大值MAX(CIDi)j即可(i表示構(gòu)件編號(hào)，j表示損傷場(chǎng)景編號(hào))。每個(gè)損傷場(chǎng)景將對(duì)應(yīng)著一個(gè)(MAX(CIDi)j,MIj)值，其中：MAX(CIDi)j越大，損傷場(chǎng)景易損性越大；MIj越小，則損傷場(chǎng)景的易損性越大。這樣就會(huì)出現(xiàn)矛盾，因此需要根據(jù)“帕羅托最優(yōu)法”來尋找易損件，圖2中處于帕羅托邊界的場(chǎng)景即為要尋找的易損場(chǎng)景。

圖1 整體性能退化易損性分析圖示

圖2 不同損傷場(chǎng)景易損性分析圖示

從橋梁正常運(yùn)營(yíng)需求角度考慮，本文選擇纜索的安全系數(shù)k作為性能參數(shù)，代入式(1)得到以安全系數(shù)為性能參數(shù)的易損性評(píng)價(jià)參數(shù)：

(4)

式中：損傷場(chǎng)景如果是纜索斷裂場(chǎng)景，則kD需要考慮沖擊力的影響，對(duì)于不同構(gòu)件，實(shí)際的沖擊系數(shù)也是不同的，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，沖擊系數(shù)可以考慮取1.5。

3 工程背景及有限元模型的建立

該工程背景為某獨(dú)塔自錨式懸索橋，該橋的主橋全長(zhǎng)為470m，各跨跨徑為50m+150m+235m+35m。主橋部分結(jié)構(gòu)總體布置如圖3所示。主塔為鋼筋混凝土門式結(jié)構(gòu)，塔高136.2m。主橋鋼箱梁頂面寬36m，為閉式箱形截面，兩側(cè)外挑人行道，總寬達(dá)42m，底部平底板寬33m。吊索順橋向按7m的間隔布置，從南到北編號(hào)為S1～S51，共51根。

圖3 某獨(dú)塔自錨式懸索橋結(jié)構(gòu)布置圖

根據(jù)設(shè)計(jì)資料，采用大型通用有限元軟件SAP2000建立三維空間有限元分析模型。該橋主梁部分整體鋼箱梁式，采用“單脊梁骨架模型”簡(jiǎn)化模擬。全橋模型共882個(gè)節(jié)點(diǎn)，987個(gè)框架單元。建立模型如圖4所示。

圖4 三維有限元模型

4 纜索體系性能退化的影響

(5)

纜索體系性能退化后，結(jié)構(gòu)剛度會(huì)發(fā)生變化，在相同荷載作用下進(jìn)行內(nèi)力重分布。為考察性能退化對(duì)纜索易損性的影響，文中一共分析6個(gè)工況：完好結(jié)構(gòu)、損傷10%、損傷20%、損傷30%、損傷40%、損傷50%。計(jì)算結(jié)果如圖5～圖6所示。

由圖5可以看出，主纜易損性隨著損傷程度的增加而增大。易損性臨界值與損傷程度成非線性關(guān)系，損傷程度越大，對(duì)易損性的影響也越大。損傷程度在20%以下時(shí)，主纜尚能滿足正常工作需求；損傷達(dá)到22.8%時(shí)，在塔頂散索鞍位置的主纜節(jié)段率先不能滿足性能需求；損傷程度為50%時(shí)，短跨主纜各截面易損性臨界值基本小于0，主跨從跨中到主塔位置的主纜易損性臨界值也小于0。因此，從正常使用狀態(tài)要求出發(fā)，主纜所能承受的最大損傷程度為22.8%。

(a)主纜易損性分析結(jié)果

(b)主纜正常使用狀態(tài)下容許損傷程度分析結(jié)果圖5 纜索體系性能退化對(duì)主纜易損性的影響

圖6中結(jié)果表明，完好結(jié)構(gòu)中由于吊索初始應(yīng)力存在差異，易損性臨界值也略有區(qū)別。隨著損傷程度的增加，所有吊索的臨界值都相應(yīng)降低，即易損性提高。各吊索之間由于剛度變化導(dǎo)致荷載分配不均勻，吊索易損性的變化存在差異，其中跨中附近的吊索易損性受性能退化的影響最大，對(duì)其余吊索易損性的影響沿著跨中向支座方向減小，靠近主塔的S19和S20影響最小。由圖6(b)可知，損傷場(chǎng)景下的臨界值與損傷程度成非線性關(guān)系。當(dāng)損傷達(dá)到47%時(shí)，S33不滿足要求；隨著損傷程度的增加，達(dá)到50%時(shí)，S33-S34-S32-S35-S36-S31 -S37先后不滿足基本性能要求。

(a)吊索易損性分析結(jié)果

(b)易損吊索及容許損失程度分析結(jié)果圖6 纜索體系性能退化對(duì)吊索易損性的影響

對(duì)比損傷場(chǎng)景對(duì)主纜和吊索的影響大小發(fā)現(xiàn)，在纜索體系同步性能退化時(shí)，主纜會(huì)優(yōu)先于吊索出現(xiàn)不滿足基本性能要求的狀況，因此在長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)中，需特別關(guān)注。

5 吊索斷裂導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)易損性分析

圖7給出了單根吊索損傷時(shí)，各損傷場(chǎng)景的最大影響參數(shù)。從圖中可以看出，S2～S3和S32～S50斷裂時(shí)，結(jié)構(gòu)均超出了正常使用狀態(tài)的基本要求，為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)象?？拷魉牡跛鲾嗔褜?duì)結(jié)構(gòu)性能的影響較小。

圖7 單根吊索斷裂導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)易損性分析結(jié)果

6 結(jié)論

從正常使用極限狀態(tài)考慮，本文建立了纜索體系的易損性評(píng)估指標(biāo)，該指標(biāo)適用于類似纜索結(jié)構(gòu)橋梁。以某自錨式懸索橋?yàn)槔肧AP2000有限元軟件建立了構(gòu)件性能退化模型，用文中提出的評(píng)估參數(shù)進(jìn)行易損性分析。分析結(jié)果表明，纜索體系同步性能退化時(shí)，性能退化程度與結(jié)構(gòu)易損性成非線性關(guān)系，性能退化越嚴(yán)重，對(duì)易損性的影響也越大；且主纜易損性大于吊索易損性。當(dāng)發(fā)生吊索斷裂的極端事件時(shí)，短跨次短吊索和主跨跨中到輔助墩的每根吊索斷裂都會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能不滿足基本要求，為易損場(chǎng)景，在橋梁長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)過程中應(yīng)予以重視。

[1] 姜紹飛，楊博，黨永勤．易損性分析在結(jié)構(gòu)抗震及健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J]．建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，25(2)：15-23．

[2] 張菊輝，胡世德．橋梁地震易損性分析的研究現(xiàn)狀[J]．結(jié)構(gòu)工程師，2005，21(6)：76-80．

[3] Erik Jenefius，Tom Peterson，and Lars-Goran Mattsson．Importance and exposure in road network vulnerability analysis[J]．Transportation Research Part A．2006，40(6)：537-560．

[4] Hongliang Zhang．A redefinition of the project risk process：Using vulnerability to open up the event consequence link[J]．International Journal of Project Management．2007，25(2)：694-701．

[5] 柳承茂，劉西拉．基于剛度的構(gòu)件重要性評(píng)估及其與冗余度的關(guān)系[J]．上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，39(5)：746-750．

[6] 姜紹飛，楊博，吳兆旗．基于易損性分析的桁架橋傳感器布設(shè)方法[J]．工程力學(xué)，2010，27：263-265．

[7] 于剛，孫利民．基于損傷場(chǎng)景的桁架結(jié)構(gòu)拓?fù)湟讚p性分析[J]．同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，38(4)：475-480．

[8] 于剛，孫智，孫利民．基于塑性極限狀態(tài)的結(jié)構(gòu)易損性分析[J]．哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，42(12)：1953-1957．

Vulnerability Analysis of Suspension Bridges based on the Degradation of Cable System Performance

WUShengping

(College of Engineering, Fujian Jiangxia University, Fuzhou 350108)

A new parameter of vulnerability assessment for cable structure was proposed in this paper considering the requirement of servicing limit state. And then the vulnerability of an anchor suspension bridge was analyzed base on the degradation of cable's performance and single sling fracture. The model of which was established by the finite element software SAP2000. The results show that there was a nonlinear relationship between degradation degree of performance and structural vulnerability, when all the cable's performance was degenerated, and the vulnerability of main cable was greater than that of sling. The results also revealed the structure could not meet the requirements of serviceability limit state when some of the sling suddenly parted. It should be taken seriously in the process of long-term monitoring of bridges.

Performance degradation; Suspension bridge; Cable structure; Vulnerability; Monitorin

福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目(JAT160555)；福建江夏學(xué)院青年科研人才培育基金項(xiàng)目(JXZ2015011)

巫生平(1985.10- )，男，助教。

E-mail:271309146@qq.com

2017-02-16

U448.25

A

1004-6135(2017)04-0070-04