斷索對(duì)鋼-混組合梁斜拉橋力學(xué)性能的影響

摘要：為研究拉索斷裂對(duì)鋼-混組合梁斜拉橋力學(xué)性能的影響，以某在建鋼-混組合梁斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘?，采用MIDAS/Civil建立有限元仿真模型，將該模型的各參數(shù)與設(shè)計(jì)值及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比以驗(yàn)證有限元模型的合理性，分析不同位置、不同數(shù)量的拉索斷裂后主梁線形、拉索索力及索塔位移的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：邊跨斷索對(duì)主梁撓度、索塔位移的影響大于主跨斷索，主跨斷索對(duì)拉索索力的影響大于邊跨斷索；長(zhǎng)索斷裂對(duì)主梁線形、拉索索力、索塔位移的影響均為最大；拉索沿主梁跨中對(duì)稱斷裂時(shí)，主梁線形、拉索索力、主塔位移表現(xiàn)出對(duì)稱變化的規(guī)律，且兩對(duì)索斷裂時(shí)全橋索力符合疊加原理。

關(guān)鍵詞：鋼-混組合梁斜拉橋；力學(xué)性能；拉索斷裂；邊跨斷索；主跨斷索

中圖分類號(hào)：U441 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1008-0562（2024）02-0187-08

0 引言

鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁符合橋梁建設(shè)裝配化、綠色化及智能化的建設(shè)理念，具有良好的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。近年來(lái)，鋼-混組合梁斜拉橋以其整體受力的合理性、經(jīng)濟(jì)性、便于施工等突出優(yōu)點(diǎn)發(fā)展迅速。拉索作為鋼-混組合梁斜拉橋的主要受力構(gòu)件，在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中長(zhǎng)期承受疲勞載荷以及自然環(huán)境侵蝕，是斜拉橋結(jié)構(gòu)體系中易受損的構(gòu)件之一。

許多學(xué)者對(duì)斜拉橋拉索損傷后的結(jié)構(gòu)性能展開了研究。ZHANG等以赤石特大橋火災(zāi)事故為工程實(shí)例，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和有限元分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)替換斷索的拉索被張拉至原設(shè)計(jì)張力時(shí)，受損橋梁的整體結(jié)構(gòu)性能恢復(fù)得較好，表明斜拉橋的整體性能主要由索控制。LIU等開發(fā)了腐蝕．磨損疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)，并進(jìn)行了腐蝕一磨損疲勞試驗(yàn)和不同試驗(yàn)參數(shù)的拉索對(duì)比試驗(yàn)，進(jìn)一步研究了損傷過(guò)程、斷裂機(jī)制、摩擦系數(shù)和拉索的使用壽命。HOANG等利用模型實(shí)驗(yàn)研究了受側(cè)向力影響而突然斷裂的斜拉索的振動(dòng)行為，并用數(shù)值分析法研究了現(xiàn)有斜拉橋在斜拉索被橫向力突然斷裂的情況下的性能，結(jié)果表明，目前推薦的沖擊力不足，沖擊力系數(shù)分布在1.2～2.0之間；在斷裂過(guò)程中，索的拉應(yīng)力比初始應(yīng)力對(duì)沖擊力的影響更大。BAI等在考慮或不考慮斜拉索斷裂的兩種情況下分析了橋梁破壞過(guò)程和承載能力，得出兩種情況下結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)時(shí)的載荷系數(shù)分別為11.69和11.12。FU等研究了不同拉索更換順序?qū)澢鷳?yīng)變能的影響，結(jié)果表明，由于最長(zhǎng)的拉索被移除，引起最大的梁應(yīng)力增大。WOLFF等、XIANG等通過(guò)非線性動(dòng)力分析研究了拉索斷裂下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)和動(dòng)力放大系數(shù)，確定了拉索下垂、橫向振動(dòng)和結(jié)構(gòu)阻尼的影響。張紹逸等提出在隨機(jī)車輛載荷作用下大跨徑斜拉橋拉索損傷診斷方法，研究表明在隨機(jī)車輛載荷作用下，主梁應(yīng)變數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，所提方法能夠有效判別斜拉橋拉索損傷。徐翔宇等提出了一種基于主成分分析的斜拉橋拉索損傷識(shí)別方法來(lái)實(shí)現(xiàn)斜拉索損傷識(shí)別，結(jié)果表明所提方法識(shí)別效果良好。譚冬梅等提出一種基于一元線性回歸模型和損傷概率的拉索損傷識(shí)別方法，結(jié)果表明，以構(gòu)建的一元線性回歸模型的參數(shù)作為損傷指標(biāo)，可分別對(duì)有限元模型和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)斜拉橋的拉索損傷情況進(jìn)行有效識(shí)別。邢心魁等研究了不同長(zhǎng)度、不同位置的拉索損傷對(duì)全橋索體索力、主梁線形變化的影響規(guī)律，結(jié)果表明當(dāng)多根拉索同時(shí)發(fā)生損傷時(shí)拉索的橫向?qū)ΨQ損傷對(duì)結(jié)構(gòu)的影響最大，原點(diǎn)對(duì)稱損傷影響最小。馬亞飛等、于剛等研究了構(gòu)件損傷對(duì)斜拉橋結(jié)構(gòu)靜力性能的影響及拉索不同程度損傷下的大跨徑斜拉橋易損性。鄭小博等采用反向加載模擬斜拉索斷裂的作用效應(yīng)，研究了斜拉橋在拉索不同斷裂時(shí)間下的動(dòng)力響應(yīng)特征。

目前針對(duì)常規(guī)斜拉橋斷索的研究中，對(duì)鋼-混組合梁斜拉橋拉索斷裂后的力學(xué)行為研究較少。本文以某在建鋼-混組合梁斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘?，?duì)組合梁斜拉橋拉索斷裂后的力學(xué)性能進(jìn)行分析，研究主梁線形、主塔位移及索力變化規(guī)律，為此類橋梁設(shè)計(jì)、施工、健康監(jiān)測(cè)及維修加固提供參考。

1 工程概況

某在建鋼-混組合梁斜拉橋，主橋采用雙塔三跨半漂浮體系，橋面按分離式雙向八車道設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)速度為80 km/h，主橋跨徑組合為（151+328+151）m。該橋橋塔立面見圖1。

橋塔采用菱形“雙子塔”，在兩聯(lián)塔與承臺(tái)之間設(shè)置鋼箱斜撐，其中南塔采用鋼箱混凝土，北塔采用純鋼箱；橋塔由變截面雙柱形成，塔柱采用單箱單室箱型截面。主梁采用鋼主梁與鋼筋混凝土橋面板共同受力的組合梁，二者通過(guò)剪力釘相結(jié)合。斜拉索采用空間扇形四索面布置，全橋共208根斜拉索；采用雙層HDPE防護(hù)的全防腐索體，Φ7 mm高強(qiáng)低松弛鍍鋅鋁合金鋼絲。

2 有限元模型

2.1 結(jié)構(gòu)有限元模型建立

采用橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件Midas/Civil 2019，以順橋向北岸側(cè)為X軸正方向建立鋼-混組合梁斜拉橋空間結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，全橋共劃分為1 831個(gè)離散節(jié)點(diǎn)，2 075個(gè)單元。索塔、橋墩、主梁采用空間梁?jiǎn)卧渲薪M合梁采用雙單元法模擬，斜拉索采用僅受拉桁架單元模擬。塔底、墩底邊界條件采用固結(jié)處理，斜拉索利用剛性連接分別與索塔、主梁相連，混凝土橋面板和剛主梁采用彈性連接-剛性相連。按照該橋?qū)嶋H施工方案，全橋共劃分111個(gè)施工階段；結(jié)合該橋設(shè)計(jì)說(shuō)明，靜力載荷主要考慮結(jié)構(gòu)自重、二期載荷、混凝土收縮徐變、鋼束預(yù)應(yīng)力。根據(jù)該橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，取左幅橋梁分析在拉索斷裂情況下主梁線形、拉索索力、索塔塔偏的變化規(guī)律。左幅模型見圖2，拉索編號(hào)見圖3，主要材料特性見表1。

2.2 有限元分析模型驗(yàn)證

目前，該橋主塔已全部封頂，見圖4。結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得數(shù)據(jù)，在主塔施工過(guò)程中南岸、北岸主塔上塔柱根部實(shí)測(cè)應(yīng)力分別為-2.63～0.38 MPa、-2.45～-0.22 MPa。所建有限元模型計(jì)算結(jié)果中，南岸主塔應(yīng)力范圍為-1.55～-0.02"MPa，北岸主塔應(yīng)力范圍為-2.4～0.52 MPa。南主塔現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值及有限元模型計(jì)算結(jié)果見表2，表2僅展示部分?jǐn)?shù)據(jù)。南北兩岸主塔應(yīng)力模型計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值均接近。

采用最小彎曲能法計(jì)算得到合理成橋索力與設(shè)計(jì)成橋索力，見圖5，圖5僅展示部分索力。

由圖5可知，計(jì)算成橋索力與設(shè)計(jì)成橋索力之差與設(shè)計(jì)成橋索力的比最大為4.6%，最小為．1.5%，索力差值未超過(guò)±5%。在運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下主跨撓度的最大值為36.7 mm，撓跨比小于1/400，滿足《公路斜拉橋設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T 3365-01-2020）要求。綜上，說(shuō)明所建有限元模型可以有效地對(duì)該橋各階段進(jìn)行模擬。

3 斷索對(duì)結(jié)構(gòu)靜力特性影響分析

利用Midas/Civil中的“激活／鈍化”功能，結(jié)合施工階段來(lái)模擬斜拉橋的拉索斷裂現(xiàn)象，即將要斷裂的拉索單獨(dú)定義為1個(gè)結(jié)構(gòu)組，在完好模型的基礎(chǔ)上，重新建立1個(gè)施工階段，通過(guò)在該施工階段中鈍化已定義的結(jié)構(gòu)組來(lái)模擬斷索，運(yùn)行分析后查看結(jié)果。本文僅分析橋梁運(yùn)營(yíng)條件下的斷索效應(yīng)，因此除考慮靜力載荷外，還根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范gt; （JTG D60-2015）布置車輛載荷。

3.1 單對(duì)索斷裂對(duì)主梁線形的影響

該橋共52對(duì)斜拉索，若針對(duì)每對(duì)拉索斷裂逐一研究將會(huì)產(chǎn)生巨大工作量。因此，根據(jù)該橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選取南岸側(cè)6對(duì)拉索進(jìn)行研究，工況說(shuō)明見表3。

上述6對(duì)拉索分別斷裂時(shí)主梁撓度變化見圖6。圖6中，主梁跨中節(jié)點(diǎn)處橫坐標(biāo)為0m，橫坐標(biāo)為負(fù)值代表南岸側(cè)，橫坐標(biāo)為正值代表北岸側(cè)。

由圖6可知，長(zhǎng)索斷裂對(duì)主梁撓度影響程度最大。邊跨最外側(cè)背索斷裂時(shí)主梁撓度峰值為-133.1 mm，較無(wú)損時(shí)增大98.5 mm，主跨長(zhǎng)索斷裂時(shí)主梁撓度峰值為-178.7 mm，較無(wú)損時(shí)增大156.4 mm；邊跨、主跨短索斷裂與無(wú)損情況下主梁線形基本一致，僅在斷索主梁錨固位置附近有明顯變化，變化幅度在15 mm以內(nèi)，說(shuō)明短索斷裂對(duì)主梁線形影響非常小。而長(zhǎng)索斷裂對(duì)主梁線形的影響波及全橋，范圍最大，斷索側(cè)主跨撓度、邊跨反拱增大明顯。

邊跨拉索斷裂后主梁撓度峰值出現(xiàn)在主跨跨中附近，并沿橋梁縱向向兩側(cè)遞減；其他位置拉索斷裂后主梁撓度峰值出現(xiàn)在主梁錨固點(diǎn)附近，并由斷索處向兩側(cè)呈遞減趨勢(shì)。由于拉索失效后，主梁在相應(yīng)位置失去彈性支承，在重力載荷的作用下相應(yīng)位置附近撓度增大。

3.2 單對(duì)索斷裂對(duì)全橋索力的影響

表3所示工況下全橋索力變化見圖7。圖7中，橫坐標(biāo)1～52分別表示拉索編號(hào)SSC13～SSC1， SMC1～SMC13， NMC13～NMC1， NSC1～NSC13，索力變幅為斷索工況索力與無(wú)損工況索力的差值。由圖7可以看出，任意一對(duì)斜拉索斷裂時(shí)，與斷裂索相鄰的索索力增幅最大，并沿?cái)嗔牙飨騼蓚?cè)拉索呈遞減趨勢(shì)。這是由于斜拉橋的拉索與主塔、主梁相連，當(dāng)某一對(duì)拉索發(fā)生斷裂后，首先將力傳給主塔和主梁，然后通過(guò)構(gòu)件的應(yīng)力重分布對(duì)其他拉索產(chǎn)生影響。

對(duì)比3種不同長(zhǎng)度拉索斷裂后周圍索索力變化情況，發(fā)現(xiàn)該橋長(zhǎng)索斷索引起周圍索的索力增量最大，短索斷索時(shí)周圍索的索力增幅最小，中索斷索引起周圍索力的增幅介于兩者之間。長(zhǎng)索斷索時(shí)索力最大增量為896.1 kN，較未斷裂時(shí)增大22.5%；中索斷索時(shí)索力最大增量為591.5 kN，較未斷裂時(shí)增大19.6%；短索斷索時(shí)索力最大增量?jī)H為200.6 kN，較未斷裂時(shí)增大10.4%。

對(duì)比邊跨、主跨相同長(zhǎng)度拉索斷裂后全橋索力變化可知，主跨拉索斷裂后周圍索索力增量大于邊跨拉索斷裂后周圍索索力增量，尤其以長(zhǎng)索和中索斷裂最為明顯，說(shuō)明主跨斷索比邊跨斷索更為危險(xiǎn)。

3.3 兩對(duì)索斷裂對(duì)主梁線形的影響

考慮到斜拉橋兩對(duì)索斷裂的組合較多，在單對(duì)索分析的基礎(chǔ)上，分析拉索沿主梁跨中對(duì)稱斷裂情況。斷裂組合下主梁的位移變化見圖8。

由圖8可知，不同于單對(duì)索斷索，拉索沿主梁跨中對(duì)稱斷裂時(shí)，主梁線形表現(xiàn)出關(guān)于橋梁跨中對(duì)稱變化的規(guī)律。邊跨長(zhǎng)索、中索的斷裂使主跨下?lián)?、邊跨反拱增大明顯，對(duì)主梁線形影響范圍大。主跨拉索斷索時(shí)，對(duì)主梁線形影響程度大且只在自身錨固于主梁位置附近影響較大，尤其以長(zhǎng)索破斷影響最大。當(dāng)邊跨SSC13+NSC13組合兩對(duì)拉索斷裂時(shí)，主梁撓度、邊跨反拱最大分別為-164.3 mm、32.1 mm，較無(wú)損時(shí)分別增大142.1 mm、31.2 mm；當(dāng)主跨SMC13+NMC13組合斷裂時(shí)，主梁撓度最大為-376.7 mm，較無(wú)損時(shí)增大355.5 mm，邊跨反拱不明顯，增幅在9 mm以內(nèi)。此時(shí)主梁撓度仍滿足撓跨比小于1/400的要求。

3.4 兩對(duì)索斷裂對(duì)全橋索力的影響

不同位置兩對(duì)拉索沿主梁跨中對(duì)稱斷裂時(shí)，全橋索力變化見圖9。圖中橫坐標(biāo)1～52分別表示拉索編號(hào)SSC13～SSC1，SMC1～SMC13，NMC13～NMCI， NSCI～NSC13。

以邊跨斷索為例，分析兩對(duì)索對(duì)稱斷裂后全橋索力變化是否具有疊加性，并與單對(duì)索斷裂進(jìn)行對(duì)比。由圖7和圖9可知，長(zhǎng)索SSC13+NSC13斷裂，SSC12索力增大679 kN，NSC12索力增大693 kN；SSC13單獨(dú)斷裂時(shí)，SSC12、NSC12索力分別增大615.8 kN、53.3 kN。中索SSC8+NMC8斷裂，SSC7、NSC7索力分別增大246.4 kN、253.3 kN;SSC8單獨(dú)斷裂時(shí)，SSC7索力增大267.5 kN，NSC7索力減小19.2 kN。短索SSC1+NSC1斷裂，SSC2索力增大200.2 kN，NSC2索力減小2.5 kN；SSC1單獨(dú)斷裂時(shí)，SSC2、NSC2索力分別增大200 kN、197.7 kN。

斜拉索設(shè)計(jì)強(qiáng)度為1 770 MPa，考慮2.5倍的安全系數(shù)，則服役期間拉索最大強(qiáng)度不能超過(guò)708 MPa。長(zhǎng)索SSC13+NSC13斷裂，導(dǎo)致臨近索SSC12、NSC12應(yīng)力分別達(dá)到603.8 MPa、598.7 MPa，雖未達(dá)到預(yù)警值但富余量很小，因此橋梁運(yùn)營(yíng)過(guò)程中要格外注意對(duì)長(zhǎng)索的養(yǎng)護(hù)。

拉索沿主梁跨中對(duì)稱斷裂時(shí)，全橋索力表現(xiàn)出對(duì)稱變化的規(guī)律。兩對(duì)長(zhǎng)索同時(shí)斷裂時(shí)，對(duì)比單對(duì)索斷裂后的疊加有放大效應(yīng)，但隨著斷索長(zhǎng)度越來(lái)越短，這種放大效應(yīng)逐漸減弱，整體而言，雙索斷裂全橋索力變化基本符合疊加原理。

3.5 斜拉索斷裂對(duì)塔偏的影響

以索塔塔頂順橋向的位移代表主塔偏位，根據(jù)有限元分析計(jì)算結(jié)果，得出不同斷索工況下索塔塔頂?shù)奈灰疲妶D10。圖10中，塔頂位移變幅為拉索斷裂工況塔頂位移與無(wú)損工況塔頂位移的差值。圖10 （b）中工況1～工況6分別為組合斷裂工況SSC13+NSC13、SSC8+NSC8、SSC1+NSC1、SMC1+NMC1、SMC7+NMC7、SMC13+NMC13。

由圖10 （a）可知，邊跨拉索由長(zhǎng)索向短索斷裂時(shí)，南塔塔頂位移向北岸側(cè)減小，隨著斷索位置越來(lái)越靠近南塔，塔頂位移增幅也越來(lái)越小；當(dāng)最長(zhǎng)索斷裂時(shí)南塔塔偏增幅最大，為74.3 mm;當(dāng)最短索斷裂時(shí)，南塔位移基本無(wú)增幅，而北塔塔偏整體上向南岸側(cè)增大。當(dāng)輔助墩附近的索斷裂時(shí)北塔塔頂位移增幅最大，為-28.5 mm；當(dāng)邊跨最短索斷裂時(shí)，北塔位移基本無(wú)變化。

主跨拉索由短索向長(zhǎng)索斷裂時(shí)，南塔、北塔塔頂位移規(guī)律一致。當(dāng)斷索位置處于主塔和1/4主跨之間時(shí)，南塔、北塔位移均無(wú)明顯變化；隨著斷索位置越來(lái)越靠近主跨跨中，南塔、北塔塔頂位移向北岸側(cè)增大，當(dāng)主跨最長(zhǎng)索斷裂時(shí)，南塔、北塔位移增幅最大，分別為-35.3 mm、-21.2 mm。

由圖10 （b）可知，當(dāng)兩對(duì)拉索對(duì)稱斷裂時(shí)，南塔、北塔塔頂位移呈現(xiàn)出對(duì)稱的變化規(guī)律。邊跨拉索由長(zhǎng)索向短索斷裂時(shí)，南塔、北塔塔頂位移分別向北岸、南岸側(cè)減??；主跨拉索由短索向長(zhǎng)索斷裂時(shí)，南塔、北塔塔頂位移分別向南岸、北岸側(cè)增大。長(zhǎng)索斷裂對(duì)主塔塔頂位移的影響較大，最長(zhǎng)索斷索的影響最大，而短索斷裂對(duì)主塔位移影響較小。

對(duì)比邊跨、主跨相同長(zhǎng)度的拉索斷裂對(duì)主塔塔頂位移的影響，可知邊跨拉索影響遠(yuǎn)大于主跨拉索，當(dāng)最長(zhǎng)索斷裂時(shí)最為明顯。邊跨最長(zhǎng)索斷索時(shí)南塔、北塔位移增幅分別為93.2 mm、-87.3 mm；而主跨最長(zhǎng)索斷裂時(shí)南塔、北塔位移增幅僅為-16 mm、15.1 mm。

4 結(jié)論

分析了鋼-混組合梁斜拉橋正常運(yùn)營(yíng)條件下斷索對(duì)主梁線形、索塔位移和全橋索力的影響，結(jié)論如下。

（1）長(zhǎng)索斷裂對(duì)主梁線形的影響大于短索斷裂的影響；邊跨長(zhǎng)索、中索斷裂后對(duì)主梁線形的影響峰值出現(xiàn)在主跨跨中附近，其他拉索的斷裂對(duì)主梁影響的峰值出現(xiàn)在拉索錨固處附近。兩對(duì)拉索對(duì)稱斷裂時(shí)，主梁線形呈對(duì)稱變化。

（2）任意一對(duì)拉索斷裂均會(huì)引起相鄰拉索的索力增大，且與之臨近的拉索索力增量最大。任意兩對(duì)拉索斷裂引起的拉索索力變幅值約等于這兩對(duì)拉索單獨(dú)斷裂時(shí)索力變幅之和。

（3）邊跨拉索斷裂對(duì)主塔位移的影響大于主跨拉索的影響；長(zhǎng)索斷裂對(duì)主塔位移的影響大于短索斷裂。邊跨最長(zhǎng)索斷索時(shí)南塔、北塔位移增幅最大，分別為93.2 mm、-87.3 mm。因此在實(shí)際橋梁運(yùn)營(yíng)中，應(yīng)注重保護(hù)長(zhǎng)索，在進(jìn)行橋梁健康監(jiān)測(cè)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注長(zhǎng)索的索力變化情況，避免長(zhǎng)索斷索而影響橋梁安全。

本文主要分析了橋梁正常運(yùn)營(yíng)條件下鋼-混組合梁斜拉橋斷索后主梁線形、拉索索力和主塔位移的變化規(guī)律，未涉及瞬時(shí)斷索情況下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，下一步有必要針對(duì)此類工況進(jìn)行分析，以更符合工程實(shí)際。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51708188）；湖北省教育廳研究生教學(xué)改革研究項(xiàng)目（校2021026）；示范性產(chǎn)教融合專業(yè)學(xué)位研 究生聯(lián)合培養(yǎng)基地建設(shè)項(xiàng)目資助（校2022054）