不同位置的拉索損傷對(duì)斜拉橋力學(xué)性能的影響研究

韋修箭，潘自強(qiáng)

(中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430052)

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，斜拉橋以其結(jié)構(gòu)體系受力合理，跨越能力大，以及良好的經(jīng)濟(jì)性及適用性，得到世界各國(guó)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師的廣泛認(rèn)可。同時(shí)斜拉橋的數(shù)量也在不斷的增加，一般斜拉橋主要包含有三個(gè)部分，即主梁、斜拉索、索塔，其中斜拉索作為主梁與索塔之間連接的重要組成部分，其能否合理的傳力是決定斜拉橋自身安全的重要因素。近年來(lái)，隨著斜拉橋使用年限的增加，斜拉索腐蝕損傷已經(jīng)逐漸成為影響斜拉橋安全承載的重要因素，同時(shí)研究斜拉索腐蝕損傷對(duì)斜拉橋體系結(jié)構(gòu)安全的影響規(guī)律也逐漸成為一個(gè)重要的課題，對(duì)斜拉索后期維護(hù)檢測(cè)具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于斜拉索損傷的影響研究還不夠深入，主要包含以下幾方面的內(nèi)容，國(guó)外Yanaka Y,Kitagawa M等人分析研究了對(duì)斜拉索的數(shù)量對(duì)斜拉橋特性的影響規(guī)律。并且采用剛度矩陣法對(duì)拉索數(shù)量以及邊跨比對(duì)斜拉索索力的影響程度進(jìn)行了研究分析，結(jié)果表明，斜拉索的數(shù)量不算增加，對(duì)提升結(jié)構(gòu)的承載能力沒(méi)有明顯的效果。

西南交通大學(xué)熊濤，通過(guò)從結(jié)構(gòu)力學(xué)以及斜拉橋病害資料兩個(gè)方面出發(fā)進(jìn)行了研究分析，通過(guò)選取典型的拉索研究了斜拉索損傷對(duì)斜拉橋全橋結(jié)構(gòu)的影響，主要將損傷的斜拉索作為斷裂的拉索這種極端情況進(jìn)行考慮。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者均表明:斜拉索腐蝕可以改變拉索的彈性模量，同時(shí)是拉索局部位置出現(xiàn)凹坑，最終導(dǎo)致拉索局部區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中，最終致使拉索承載能力的降低。但是目前關(guān)于斜拉索正常使用期間，拉索的管理維護(hù)以及損傷評(píng)估等方面的內(nèi)容還沒(méi)有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因此需要進(jìn)一步進(jìn)行研究。

綜上所述，以上研究均從只從單一的方面如環(huán)境、應(yīng)力等局部研究，分析研究拉索的腐蝕損傷病害特點(diǎn)及成因，歸納總結(jié)拉索腐蝕機(jī)理；研究不同程度腐蝕損傷的拉索對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響；為斜拉橋的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的研究、斜拉橋日常管理、維護(hù)等工作提供參考和指導(dǎo)；為斜拉橋結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性提供有利保障，延長(zhǎng)使用壽命具有重大意義。

1 橋梁概況

閱江大橋位于廣東省肇慶市，項(xiàng)目線位起點(diǎn)位于北岸端州區(qū)古塔路與星湖大道交叉路口，沿古塔路跨越西江，在南岸高要烏榕村與世紀(jì)大道（S272）銜接。主線全長(zhǎng)3.837km，該橋第十一聯(lián)為 （160+320+160）m斜拉橋，主梁采用C60砼，單箱五室類三角形截面，梁高3.7m，頂板寬33.5m，底板寬12m，兩側(cè)懸臂長(zhǎng)4.5m，頂面設(shè)雙向2%的橫坡。標(biāo)準(zhǔn)索距梁段每6m 設(shè)置一道橫梁，中室橫梁厚0.6m，邊室橫梁厚0.4m。壓重段橫梁厚均為0.7m。

斜拉索采用低應(yīng)力雙層HDPE防護(hù)平行熱鍍鋅拉索，鋼絲采用Ф7mm低松弛鍍鋅鋼絲，其標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度бb=1670MPa。斜拉索上端錨固于塔柱上，下端錨固于主梁中間兩腹板之間，兩索面橫向間距2.2m，全橋共192根索。每塔24對(duì)索，均在梁上張拉。

主塔為鋼-混組合塔，上塔柱為等截面鋼塔，塔柱橫橋向?qū)挾?.0m，縱橋向?qū)挾?.6m，塔間系梁均為鋼系梁。下塔柱為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60，塔柱截面橫橋向?qū)?.0m，縱橋向?yàn)樽兘孛?，塔柱底部尺寸?m×3.7m，布置形式如圖1所示。

圖1 主橋測(cè)試控制截面示意圖（單位:cm）

1.1 斜拉索的護(hù)套刮痕

斜拉索PE護(hù)套存在不同程度的刮痕、刮損等病害，主要原因?yàn)樾崩髟谶\(yùn)輸及掛設(shè)安裝過(guò)程中受硬物摩擦、碰撞所致，PE護(hù)套刮痕破壞形式如圖2所示。

圖2 PE護(hù)套刮痕

斜拉索處于自然環(huán)境中，經(jīng)常受到日曬、雨淋，拉索施工時(shí)對(duì)PE護(hù)套造成的刮痕和刮傷，隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)，原有的病害會(huì)隨著加劇。由于對(duì)損傷部分現(xiàn)場(chǎng)修補(bǔ)能力有限，使得拉索耐久性降低，護(hù)套破損會(huì)使得拉索裸露在大氣中容易被雨水侵蝕。這些損傷會(huì)對(duì)斜拉索的使用壽命及受力性能產(chǎn)生較嚴(yán)重影響。

1.2 護(hù)套內(nèi)部鋼絲腐蝕

當(dāng)斜拉索護(hù)套破損后，內(nèi)部鋼絲將會(huì)暴露在空氣當(dāng)中，直接與外部環(huán)境直接接觸，在周圍空氣以及水分的影響下，鋼絲將有可能發(fā)生腐蝕，同時(shí)腐蝕程度不斷增大，在高應(yīng)力狀態(tài)下將會(huì)發(fā)生斷裂。其腐蝕形式如圖3所示。

圖3 護(hù)套內(nèi)部鋼絲腐蝕

2 拉索損傷對(duì)結(jié)構(gòu)靜力性能的影響

2.1 拉索的損傷后的彈性模量

為了研究拉索損傷后對(duì)應(yīng)的彈性模量，采用材料連續(xù)度φ來(lái)表征材料的損傷程度，當(dāng)材料的連續(xù)度為φ時(shí)對(duì)應(yīng)的材料的損傷率ψ如式（1）所示。

上式中，ψ表示材料的腐蝕率，對(duì)于金屬材料而言，材料的損傷程度主要體現(xiàn)在材料有效受力面積的變化，假定金屬材料的初始受力面積為A，當(dāng)材料損傷后對(duì)應(yīng)的有效受力面積為A1，則對(duì)應(yīng)的材料損傷率也可以用下式進(jìn)行表示。

結(jié)合式（1）以及（2）可以看出，當(dāng)材料連續(xù)度φ=1時(shí)，此時(shí)腐蝕率ψ=0，表示材料沒(méi)有損傷；當(dāng)材料的連續(xù)度φ=0時(shí)，此時(shí)腐蝕率ψ=1，表示材料的完全損傷，有效的受力面積為0。

根據(jù)彈性材料的應(yīng)力應(yīng)變的本構(gòu)關(guān)系如式（3）所示。

當(dāng)金屬材料發(fā)生一定的腐蝕時(shí)，由于有效受力面積的減小，導(dǎo)致腐蝕區(qū)域的應(yīng)力增大，如式（4）所示。

從而得到金屬材料腐蝕前后對(duì)應(yīng)的應(yīng)力之間的關(guān)系如式（5）所示。

式中，σ1——表示結(jié)構(gòu)中的有效應(yīng)力；

σ——表示材料的名義應(yīng)力；

ψ——表示材料的損傷率。

根據(jù)應(yīng)變等效原理，假定材料在等效應(yīng)力狀態(tài)下，材料損傷前后所產(chǎn)生的應(yīng)變相同，在此基礎(chǔ)上可以推導(dǎo)出材料受損時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系。

拉索在無(wú)損狀態(tài)下的應(yīng)變?yōu)棣?σ/E，采用有效應(yīng)力代替名義應(yīng)力，可得到下式。

由此可知，斜拉索損傷后對(duì)斜拉索的彈性模量會(huì)產(chǎn)生一定的影響，將斜拉索損傷后的材料作為一種復(fù)合材料，根據(jù)復(fù)合材料的復(fù)合規(guī)律，可以推導(dǎo)得到拉索損傷后的彈性模量，如式

上式中，E1為斜拉索損傷后的等效彈性模量，E為斜拉索未損傷部分材料對(duì)應(yīng)的彈性模量，Ev為斜拉索損傷部分材料對(duì)應(yīng)的彈性模量，ψ為材料的損傷率。

根據(jù)等效彈性模量的概念，Ernst首先提出了斜拉橋拉索的彈性模量計(jì)算公式如式（7）所示。

上式中，E為索的彈性模量；A為索的截面面積；W為索單位長(zhǎng)度的重量；l為索兩端點(diǎn)水平距離；T為索的拉力。

將式（7）代入式（8）中可推導(dǎo)得到損傷后斜拉橋拉索的等效彈性模量。

因此，損傷變量可以由材料的彈性模量進(jìn)行表示。

3 拉索損傷對(duì)斜拉橋力學(xué)性能的影響

為了研究不同位置的拉索損傷后彈性模量變化對(duì)斜拉橋力學(xué)性能的影響，結(jié)合本工程實(shí)例采用ANSYS軟件進(jìn)行模擬分析，橋梁結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算模型（拉索編號(hào)從左到右編號(hào)為1-29,30-58,59-87,88-116）

同時(shí)選取6種不同的工況進(jìn)行分析，每種工況下按照拉索按照損傷程度的30%進(jìn)行損傷工況的組合，具體的工況組合形式見(jiàn)表1。

表1 損傷工況組合表

3.1 拉索損傷對(duì)主梁位移變化的影響

同時(shí)，其邊跨長(zhǎng)索至中跨長(zhǎng)索的主梁節(jié)點(diǎn)編號(hào)主要分布于60～180節(jié)點(diǎn)之間。

通過(guò)對(duì)各種工況下，單根拉索損傷前后主梁位移變化的對(duì)比分析，可以得到各個(gè)位置處主梁拉索的損傷對(duì)主梁豎向位移變化的影響，如圖5所示。

圖5 單根拉索損傷主梁位移變化圖

在圖5中，正值表示拉索損傷后節(jié)點(diǎn)的位移增大，負(fù)值表示對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的位移減小。

根據(jù)上述分析可以看出，邊跨位置處的長(zhǎng)索對(duì)主梁位移產(chǎn)生的影響最大，其次為中索，影響最小的為短索，即斜拉索距離主塔越近，對(duì)主梁線性位移的影響程度越小。

3.2 拉索損傷對(duì)索力變化的影響

由于斜拉索中存在著初始拉應(yīng)力，導(dǎo)致其對(duì)周圍環(huán)境以及荷載的變化比較敏感，當(dāng)斜拉橋承受的荷載不變的情況下，拉索產(chǎn)生損傷會(huì)導(dǎo)致拉索有效受力面積減小，最終導(dǎo)致斜拉索內(nèi)部發(fā)生內(nèi)力重分布，為了研究斜拉索損傷對(duì)拉索索力重分布的影響規(guī)律，結(jié)合各個(gè)模型工況對(duì)其進(jìn)行理論分析，其中單根拉索損傷對(duì)索力性能影響的規(guī)律如圖6所示。

圖6 單根拉索損傷索力變化圖

根據(jù)圖6可以看出，當(dāng)拉索發(fā)生損傷時(shí)，損傷后的拉索索力會(huì)相應(yīng)的減小，同時(shí)拉索兩側(cè)附近的拉索索力不斷增大；從另一方面也能夠看出，拉索損傷對(duì)兩側(cè)拉索索力的影響范圍是有限的，僅僅會(huì)對(duì)其附近范圍內(nèi)的拉索產(chǎn)生影響，對(duì)距離較遠(yuǎn)處的拉索影響程度較小。

3.3 拉索損傷對(duì)主塔的影響

為了研究拉索損傷對(duì)主塔節(jié)點(diǎn)的位移影響，對(duì)圖3中的主塔節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，按照從上到下由1-32對(duì)索塔的各個(gè)節(jié)點(diǎn)依次編號(hào)，根據(jù)工況1-6主塔各個(gè)節(jié)點(diǎn)的變化規(guī)律，從而得到左側(cè)以及右側(cè)索塔的位移變形狀況分別如圖7及圖8所示。其中正值表示拉索損傷后該節(jié)點(diǎn)位移增大，反之，表示拉索損傷后節(jié)點(diǎn)位移減小，

圖7 左側(cè)索塔的位移變形圖

圖8 右側(cè)索塔的位移變形圖

根據(jù)上圖可以看出，工況1（邊跨長(zhǎng)索損傷）及工況6（中跨長(zhǎng)索損傷）對(duì)主塔位移影響最為明顯，其他工況的影響較小。

4 結(jié)論

本文結(jié)合閱江大橋斜拉索出現(xiàn)的護(hù)套刮痕以及內(nèi)部斜拉索局部銹蝕的問(wèn)題，對(duì)斜拉橋拉索發(fā)生損傷后對(duì)應(yīng)的等效彈性模量變化、拉索損傷對(duì)斜拉橋主梁位移以及拉索索力變化進(jìn)行了分析，主要得到了以下結(jié)論：

1）斜拉橋拉索損傷會(huì)影響拉索自身的力學(xué)性能，導(dǎo)致斜拉橋拉索的等效彈性模量發(fā)生變化，并且隨著損傷率越大，斜拉橋拉索的等效彈性模量越低。

2）邊跨位置處的長(zhǎng)索對(duì)主梁位移產(chǎn)生的影響最大，短索影響程度最小，斜拉索距離主塔越近，對(duì)主梁位移的影響程度越小。

3）當(dāng)拉索發(fā)生損傷時(shí)，損傷后的拉索索力會(huì)相應(yīng)的減小，同時(shí)拉索兩側(cè)附近的拉索索力不斷增大；同時(shí)拉索損傷對(duì)周圍拉索索力的影響范圍是有限的，且邊跨及中跨長(zhǎng)索損傷對(duì)主塔的影響最為顯著。