斜拉索人行天橋承載力研究

杜明陽， 閆嘯坤

(國能朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北 肅寧 062350)

隨著現(xiàn)代化城市建設(shè)的進(jìn)行，越來越注重城市的人文環(huán)境。新建的人行天橋除了滿足行人的基本功能外，更加注重橋梁的美感，從而使得其成為地標(biāo)性建筑。在這樣的背景下，新型的結(jié)構(gòu)形式如雨后春筍，層出不窮。為了保證新建人行天橋的安全性能，更應(yīng)該強(qiáng)調(diào)橋梁的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)[1-11]。

陳程[2]從拱橋的概念、特征、發(fā)展歷程等方面對(duì)其進(jìn)行了較為系統(tǒng)的闡述，并分析了剛度比、矢跨比等參數(shù)改變對(duì)拱橋整體受力性能的影響，提出依據(jù)拱橋剛度比對(duì)系桿拱橋的分類標(biāo)準(zhǔn)。李豐群等[3]詳細(xì)介紹了南京太平北路人行天橋的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和創(chuàng)新，該橋采用桅桿式斜拉橋形式，從而減小了天橋的長(zhǎng)度，使得結(jié)構(gòu)更加合理，同時(shí)在造型上給觀眾以輕盈、通透的美感。石春龍等[4]以長(zhǎng)春新區(qū)月亮拱景觀人行橋?yàn)檠芯繉?duì)象，分析了結(jié)構(gòu)自重、風(fēng)荷載、溫度荷載等荷載作用，對(duì)其主梁、拱肋受力性能的影響。研究結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)滿足要求，為類似工程提供了參考。劉軍[5]以張家口清水河工業(yè)南橋復(fù)建工程為研究對(duì)象,分析了橋梁不同階段、不同荷載組合下的受力性能，并對(duì)其整體穩(wěn)定性進(jìn)行了分析研究。劉釗等[6]通過對(duì)不同形式系桿拱橋分析研究發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)狀系桿拱橋的受力性能優(yōu)于豎吊桿體系拱橋，主要表現(xiàn)在其拱肋和吊桿的彎矩值較小。陳列等[7]以128 m系桿拱橋?yàn)橹饕芯繉?duì)象，分析了矢跨比、吊桿布置形式、剛度比等參數(shù)對(duì)其受力性能的影響，其研究結(jié)果表明,采用柔性吊桿網(wǎng)狀體系布置時(shí)，結(jié)構(gòu)的受力性能最好。

本文以朔黃春霖路人行天橋?yàn)檠芯繉?duì)象，在檢查過程中，發(fā)現(xiàn)其中一根斜吊桿失效，并對(duì)相鄰吊桿的受力形成影響。研究斜吊索人行橋在滿足標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下，其整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性是否滿足要求，及吊桿失效對(duì)其受力性能的影響。

拱橋作為一種優(yōu)美的橋型，越來越多被采用。作為其主要受力構(gòu)件的吊桿，其受力性能直接關(guān)系到橋梁的安全性能[9]。在使用過程中，由于使用維護(hù)不當(dāng)導(dǎo)致吊桿的失效或者更換，例如英國Wye橋、中國廣州海印橋、樂山岷江大橋、廣東鶴山九江橋、紅水河橋等均發(fā)生了吊桿斷裂事故，為了明確吊桿失效對(duì)橋梁、拱肋、吊桿受力性能的影響，研究人員開展了相關(guān)研究。Mozos et al[12]通過數(shù)值模擬和試驗(yàn)的方法分析了斜拉索失效對(duì)斜拉橋受力性能的影響。夏歡等[13]分析了不同位置吊桿失效對(duì)拱橋受力性能的影響。Zhou et al[14]等分析了斷索對(duì)斜拉橋受力性能的影響，研究中考慮了斜拉索的初始裝填、斜拉索的非線性特征、荷載的組合形式等因素的影響。陳文明等[15]分析了單根拉索失效時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能的影響，研究結(jié)果表明，當(dāng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力較大導(dǎo)致拉索失效后，其索力將分配到其他拉索中，這種情況增大了其他索斷裂的可能性，從而有可能引發(fā)結(jié)構(gòu)整體的坍塌。趙金鋼等[16]結(jié)合工程案例，利用有限元的方法，分析了吊桿失效對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，研究結(jié)果表明，單根吊桿失效時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)的影響較小，當(dāng)斷裂的吊桿超過3對(duì)時(shí)將會(huì)對(duì)拱肋部分造成明顯破壞，增加結(jié)構(gòu)整體破壞的可能性。王兆銘等[17]以某在建大橋?yàn)橹饕芯勘尘?，分析了不同位置吊桿失效對(duì)結(jié)構(gòu)受力特性的影響，研究結(jié)果表明，單根吊桿斷裂時(shí)，對(duì)同側(cè)吊桿影響較大，但是各吊桿的受力性能仍在其工作范圍內(nèi)，所以對(duì)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性的影響可以忽略。不同位置吊桿斷裂，其影響程度存在明顯差異，四分點(diǎn)吊桿斷裂時(shí)影響最大。本文以朔黃春霖街天橋?yàn)閷?duì)象，開展了相關(guān)研究。

1 結(jié)構(gòu)概況

1.1 工程背景

春霖路人行天橋主橋采用(21.5 m鋼梁+60 m提籃拱加勁+21.5 m鋼梁)連續(xù)梁，提籃拱矢跨比取1∶6.8，橋面有效通行寬度3.0 m。邊跨采用縱橫梁形式，縱梁為雙邊主梁，采用箱形截面，內(nèi)傾8°。中跨60 m，跨越春霖路，為提籃拱加勁梁形式；拱肋及主梁均為箱形截面，拱面內(nèi)傾8°；斜拉索(拉桿)縱橫向均傾斜(中拉桿僅橫橋向傾斜)，呈扇形布置；2拱片間設(shè)3道橫撐，形成整體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 春霖路人行天橋

邊縱梁采用Q345qD鋼梁，截面采用箱型，頂?shù)装寮案拱寰?0 mm，等寬度350 mm，變高度，腹板內(nèi)傾8°。中跨鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)高度為1 m，邊跨鋼箱梁高度由1 m變高到1.4 m。拉索采用叉耳雙向螺桿型拉索，通過耳板(橫隔板)分別與主梁及拱肋連接。拉索布置形式采用扇形布置。橋墩基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，橋臺(tái)基礎(chǔ)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)型式。

1.2 有限元模型介紹

采用MIDAS橋梁專業(yè)分析軟件建立全橋模型，分析橋梁結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，有限元模型中主梁結(jié)構(gòu)采用板單元，吊桿結(jié)構(gòu)采用桁架單元模擬，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查情況，主橋狀態(tài)完好，未見明顯的結(jié)構(gòu)損傷，計(jì)算板厚及截面直接采用設(shè)計(jì)截面，未考慮截面尺寸的磨損，邊界條件與實(shí)際情況保持一致，建立的有限元計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 有限元計(jì)算模型

1.3 荷載說明

1.3.1 永久荷載

結(jié)構(gòu)自重：主梁計(jì)入自重，以及二期恒載的質(zhì)量。

自重：鋼材容重取78.5 kN/m3，考慮焊接等因素，自重調(diào)整系數(shù)取1.1。

二期荷載(包括橋面鋪裝、玻璃幕墻及照明等)：2.7 kN/m2。

1.3.2 活載

人群：縱向整體計(jì)算取5.0 kN/m2。

風(fēng)荷載：依據(jù)《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》，風(fēng)速取32.57 m/s，全橋裝飾后擋風(fēng)面積(含玻璃幕墻)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)擋風(fēng)面積的1.35倍，風(fēng)荷載計(jì)算時(shí)按結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)面積施加時(shí)考慮1.35倍放大系數(shù)?？v向風(fēng)壓按橫向風(fēng)壓的0.4倍取值。橫向風(fēng)壓

W=K1K2K3K4W0

(1)

根據(jù)式(1)計(jì)算可以得到橫向風(fēng)壓為586.1 Pa。

橫向風(fēng)壓施加值為：1.35×586.1=791.2 Pa。

縱向風(fēng)壓施加值為：0.4×586.1=234.4 Pa。

強(qiáng)度及穩(wěn)定計(jì)算荷載組合采用基本可變荷載(人群荷載)設(shè)計(jì)值、永久荷載(自重)設(shè)計(jì)值與其他可變荷載(風(fēng)荷載)設(shè)計(jì)值相組合。

其中永久荷載組合系數(shù)取1.2，可變荷載組合系數(shù)取1.4，可變荷載組合值系數(shù)取0.75。

2 結(jié)構(gòu)受力分析

2.1 整體強(qiáng)度分析

天橋上部結(jié)構(gòu)在成橋狀態(tài)下，在結(jié)構(gòu)自重、人群荷載、風(fēng)荷載的作用下，主梁的應(yīng)力分布相對(duì)合理，絕大多數(shù)位置的應(yīng)力在70 MPa左右。在局部位置出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大von-Mises 應(yīng)力為101.0 MPa，出現(xiàn)在支座處拱肋頂面迎風(fēng)側(cè)位置。雖然其值為最大值，但是從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度出發(fā)，結(jié)構(gòu)具有較大的安全儲(chǔ)備，僅為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的34.7%(fd=270 MPa)，表明主梁整體強(qiáng)度滿足要求。

天橋上部結(jié)構(gòu)在基本組合下，絕大多數(shù)位置的剪應(yīng)力在40 MPa左右，分布較為合理。與von-Mises 應(yīng)力情況相似，也存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象，最大剪應(yīng)力為56.8 MPa，同樣也出現(xiàn)在支座拱肋頂面迎風(fēng)側(cè)位置，最大剪應(yīng)力為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的36.7%(

2.2 整體穩(wěn)定性分析

為了明確人行橋整體穩(wěn)定的特征，進(jìn)行了相關(guān)研究，整體穩(wěn)定分析計(jì)算時(shí)按照彈性分析，結(jié)構(gòu)自重及二期按恒載考慮，荷載系數(shù)取1.2，人群荷載按可變荷載考慮，荷載系數(shù)取1.4。通過相應(yīng)的有限元計(jì)算得到前五階模態(tài)的屈曲系數(shù)，具體數(shù)值如表1所示。從表1可以看出，橋梁整體穩(wěn)定性主要與拱肋的穩(wěn)定性相關(guān)，最小屈曲系數(shù)12.883、最大屈曲系數(shù)為29.097，滿足穩(wěn)定性要求。前三階屈曲主要是拱肋的整體屈曲，前四階屈曲模態(tài)見圖3。

圖3 天橋上部結(jié)構(gòu)屈曲分析結(jié)果

表1 前五階屈曲系數(shù)計(jì)算

2.3 上部結(jié)構(gòu)剛度分析

人群荷載作用下，主梁的最大位移發(fā)生在橋梁的跨中位置，最大豎向變形為17.4 mm。根據(jù)主梁最大跨度60 m，容許變形值為：L/800=60 000/800=75 mm，最大豎向變形為17.4 mm遠(yuǎn)小于主梁的允許變形值，所以結(jié)構(gòu)變形滿足要求。

3 吊桿失效結(jié)構(gòu)受力分析

橋梁在運(yùn)維過程中，如果養(yǎng)護(hù)不當(dāng)，可能造成局部導(dǎo)桿的松動(dòng)。與之類似在吊桿更換的過程中，會(huì)對(duì)局部吊桿進(jìn)行拆除。這兩種情況發(fā)生時(shí)，勢(shì)必會(huì)造成吊桿內(nèi)力重分布。在進(jìn)行朔黃春霖街天橋檢測(cè)過程中，發(fā)現(xiàn)8#吊桿出現(xiàn)松動(dòng)，為了明確吊桿失效對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能的影響，有必要開展相關(guān)研究。研究過程中考慮了一種極端狀態(tài)，即認(rèn)為8#吊桿完全失效，在這樣的背景下建立Midas模型，分析了單根吊桿失效后對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度穩(wěn)定性的影響，同時(shí)也考慮了單根吊桿失效后對(duì)其余吊桿內(nèi)力的影響。

3.1 吊桿失效對(duì)上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響

單側(cè)8#吊桿失效后，主梁在基本組合下，最大von-Mises 應(yīng)力為101.4 MPa。吊桿失效后橋梁的最大von-Mises 應(yīng)力增加約0.4 MPa，增幅很小，沒有明顯影響，且其最大應(yīng)力值遠(yuǎn)小于材料的允許影響，表明結(jié)構(gòu)存在足夠的安全儲(chǔ)備。同時(shí)也觀測(cè)到最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置也出現(xiàn)在支座處拱肋頂面迎風(fēng)側(cè)位置。因此可以認(rèn)為單根吊桿失效后，對(duì)主梁應(yīng)力分布的影響不明顯，未造成最大應(yīng)力分布位置發(fā)生改變，因此可以忽略單側(cè)8#吊桿對(duì)上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。

3.2 吊桿失效對(duì)上部結(jié)構(gòu)剛度的影響

單側(cè)8#吊桿失效后，天橋豎向變形在單側(cè)8#吊桿失效時(shí)，最大變形為17.9 mm。失效后，主梁的最大變形僅僅增加了0.5 mm，增幅約2.9%，因此可以認(rèn)為主梁最大變形增加不明顯，在該條件下，上部結(jié)構(gòu)的最大變形仍遠(yuǎn)小于允許變形。這表明單根吊桿失效后對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響可以忽略。

3.3 吊桿失效對(duì)內(nèi)力的影響

單側(cè)8#吊桿失效時(shí)，天橋吊桿內(nèi)力在基本組合作用下的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果(不考慮張拉力)如表2所示。從表2可以看出，單根吊桿失效后，其同側(cè)相鄰吊桿的內(nèi)力改變最為明顯，例如7#吊桿和9#吊桿的內(nèi)力較8#吊桿失效前分別增加了31.42%和31.46%。隨著吊桿位置遠(yuǎn)離，吊桿失效對(duì)其影響逐漸減弱，例如，6#吊桿和10#吊桿的內(nèi)力較8#吊桿失效前分別增加了13.63%和13.23%。隨著吊桿位置的繼續(xù)遠(yuǎn)離，其內(nèi)力增加小于5%，8#吊桿失效對(duì)其影響可以忽略。同時(shí)也觀測(cè)到迎風(fēng)側(cè)8#吊桿失效后，與之相對(duì)應(yīng)的背風(fēng)側(cè)的8#吊桿的內(nèi)力僅增加了5.76%，對(duì)背風(fēng)側(cè)其余吊桿的影響更小，因此認(rèn)為吊桿失效后，對(duì)側(cè)吊桿的內(nèi)力改變不明顯，對(duì)其影響可以忽略。這與相關(guān)文獻(xiàn)中的結(jié)論相一致。

表2 吊桿內(nèi)力計(jì)算對(duì)比表

3.4 吊桿失效對(duì)穩(wěn)定性的影響

為了明確吊桿失效對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的影響，對(duì)比了單側(cè)8#吊桿失效前后，結(jié)構(gòu)前五階屈曲系數(shù)的分布規(guī)律，具體數(shù)值分布如表3所示。從表3可以看出，單根吊桿失效前后結(jié)構(gòu)的屈曲系數(shù)變化不明顯，例如第一階屈曲系數(shù)失效前為12.883，失效后增大為12.940，增加了0.4%，改變非常小，可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)的屈曲模態(tài)在失效前后基本相同，未發(fā)生改變。因此得到結(jié)論，單根吊桿失效對(duì)整體穩(wěn)定性的影響可以忽略。

表3 前五階屈曲系數(shù)計(jì)算對(duì)比

4 橋梁結(jié)構(gòu)承載能力測(cè)試

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果，檢驗(yàn)橋梁的真實(shí)工作狀態(tài)，采用頻率法對(duì)朔黃鐵路人行天橋索力進(jìn)行測(cè)試，索力測(cè)試過程中出現(xiàn)個(gè)別索力實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬結(jié)果相差較大，采取多次測(cè)試并根據(jù)實(shí)際吊索約束條件來進(jìn)行索長(zhǎng)調(diào)整，多次測(cè)試結(jié)果修正值見表4。

表4 吊桿內(nèi)力對(duì)比表

5 結(jié)論

通過Midas有限元模擬，對(duì)朔黃春霖街天橋的主梁和吊桿進(jìn)行了強(qiáng)度和穩(wěn)定性分析，并考慮了吊桿失效對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和內(nèi)力的影響，得到了如下結(jié)論：

(1)該天橋在永久荷載、活載的設(shè)計(jì)荷載組合作用下，結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力僅為材料允許強(qiáng)度的34.7%，剪應(yīng)力僅為材料允許強(qiáng)度的36.7%，表明材料強(qiáng)度滿足要求，且有較大的安全儲(chǔ)備。針對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究發(fā)現(xiàn)，其最小屈曲系數(shù)為12.883，表明結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生屈曲破壞。在標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下，結(jié)構(gòu)的最大變形為17.4 mm遠(yuǎn)小于限制70 mm。綜上所述，可以認(rèn)為在標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下該橋強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性滿足要求，且具有較大的安全儲(chǔ)備。

(2)8#吊桿失效時(shí)，同側(cè)吊桿的內(nèi)力改變較為明顯，相鄰2根吊桿的內(nèi)力增大了30%左右。隨著吊桿位置遠(yuǎn)離失效吊桿，其受到的影響逐漸減小。異側(cè)吊桿受其影響較小，與之相對(duì)應(yīng)的吊桿的內(nèi)力僅增大了5.76%，遠(yuǎn)小于同側(cè)相鄰吊桿受到的影響，因此可以忽略吊桿失效對(duì)異側(cè)吊桿內(nèi)力的影響。

(3)單根吊桿失效后，主梁在基本組合下，橋梁的最大von-Mises 應(yīng)力增加約0.4 MPa，增幅很小沒有明顯影響。天橋豎向變形在單側(cè)吊桿失效后，主梁的最大變形比失效前增加了0.5 mm，增幅約2.9%，主梁最大變形增加不明顯。

(4)單根吊桿失效后對(duì)結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的影響不明顯，可以忽略。在設(shè)計(jì)中應(yīng)該適當(dāng)增加結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備，防止吊桿失效后造成的吊桿內(nèi)力的二次分配對(duì)相鄰吊桿產(chǎn)生破壞。

(5)模擬結(jié)果一定程度上能夠反映結(jié)構(gòu)的受力特征，當(dāng)索力測(cè)試過程中出現(xiàn)個(gè)別索力實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬結(jié)果相差較大，應(yīng)采取多次測(cè)試并根據(jù)實(shí)際吊索約束條件來進(jìn)行索長(zhǎng)調(diào)整，在實(shí)際工程中應(yīng)該注意。