拉索斷裂對空間扭轉(zhuǎn)索面斜拉橋主梁線形的影響研究

陳國勝(中鐵十八局集團(tuán)第二工程有限公司，河北唐山　063000)

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拉索斷裂對空間扭轉(zhuǎn)索面斜拉橋主梁線形的影響研究

陳國勝
(中鐵十八局集團(tuán)第二工程有限公司，河北唐山063000)

摘要:以天津一空間扭轉(zhuǎn)索面斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘?，利用有限元軟件Midas/Civil建立仿真模型，研究斜拉索單索、雙索斷裂對主梁線形的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，空間扭轉(zhuǎn)索面斜拉橋與平面索面斜拉橋受拉索斷裂的影響規(guī)律不同:在空間扭轉(zhuǎn)索面斜拉橋中，橋跨中間部位拉索斷裂對斜拉橋結(jié)構(gòu)性能的影響較大;主梁線形變化峰值出現(xiàn)在斷索錨固點(diǎn)附近，沿橋梁縱向向兩側(cè)遞減;不同斜拉索斷裂對主梁線形影響不同，雙索斷裂產(chǎn)生的影響比單索斷裂大。斜拉橋若進(jìn)行換索，建議考慮采用橫向?qū)ΨQ或原點(diǎn)對稱方式換索。

關(guān)鍵詞:斜拉橋扭轉(zhuǎn)索面斜拉索斷裂線形

斜拉橋結(jié)構(gòu)受力合理，跨越能力強(qiáng)，美觀，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，在國內(nèi)外橋梁領(lǐng)域占有重要地位。斜拉索作為斜拉橋重要組成構(gòu)件，對斜拉橋的使用性能具有決定性作用。斜拉索布置在梁體外部，與空氣直接接觸，處于高應(yīng)力狀態(tài)，因此斜拉索老化、破損甚至斷裂的可能性較大。

國內(nèi)外出現(xiàn)斜拉索損傷斷裂的案例較多:1979年委內(nèi)瑞拉的Maracaibo Lake大橋拉索突發(fā)性斷裂，造成橋體局部坍塌;1999年四川岷江大橋斜拉索PE護(hù)套破裂，拉索銹蝕，耗時兩年更換全部拉索;2001年四川南門大橋拉索震動導(dǎo)致吊索斷裂，致使橋梁主體斷裂;2006—2015年，廣州壺西大橋、南寧白沙大橋、天津永和大橋、廣東西樵大橋、南昌八一大橋和重慶涪陵長江大橋由于錨頭銹蝕嚴(yán)重、防護(hù)套破裂等病害，致使拉索損傷或斷裂，被迫更換斜拉索。

隨著國家經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市建設(shè)對于橋梁景觀的要求越來越高，視覺效果良好、更具觀賞性的空間扭轉(zhuǎn)索面斜拉橋備受城市建設(shè)者推崇，但由于該類型斜拉橋受力復(fù)雜，研究相對較少。因此，進(jìn)行空間扭轉(zhuǎn)索面斜拉橋拉索斷裂性能研究對于橋梁設(shè)計(jì)、施工以及監(jiān)控具有重要意義。本文以天津一空間扭轉(zhuǎn)索面斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘?，進(jìn)行斜拉索斷裂研究。

1　工程概況

斜拉橋主橋結(jié)構(gòu)為半漂浮結(jié)構(gòu)體系，主橋采用兩跨方式跨越河流，大橋立面見圖1。該空間扭轉(zhuǎn)索面斜拉橋共布置4×13根斜拉索。斜拉索由環(huán)氧鋼絲組成，鋼絲直徑7 mm，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 670 MPa，采用熱擠雙層高密度聚乙烯防護(hù)套保護(hù)斜拉索。斜拉索分別錨固在主塔與主梁外側(cè)腹板，每側(cè)對應(yīng)拉索編號為1～13，斜拉索位置見表1(由于結(jié)構(gòu)為原點(diǎn)對稱結(jié)構(gòu)，所以僅提供1/4拉索數(shù)據(jù))，斜拉索布置見圖2，。

圖1　大橋立面(單位:m)

表1　斜拉索位置　m

圖2　斜拉索布置

2　有限元分析

通過有限元軟件Midas/Civil建立全橋有限元模型，選取板單元模擬鋼箱梁、梁單元模擬橋塔、桁架單元模擬斜拉索。該空間扭轉(zhuǎn)索面斜拉橋模型有梁單元1 822個、桁架單元52個、板單元7 453個、實(shí)體單元124個、節(jié)點(diǎn)7 690個。

有限元模型在建立過程中考慮拉索拉力以及自重影響，將斜拉索彈性模量進(jìn)行等效，通過Ernst公式計(jì)算斜拉索有效彈性模量Eeq，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2　斜拉索有效彈性模量　×105MPa

式中:Eeq為拉索等效彈性模量，kPa;E為拉索材料的彈性模量，kPa;γ為斜拉索單位體積重力，kN/m3;lc為拉索水平投影長度，m;σ為拉索應(yīng)力，kPa。

3　斜拉索斷裂影響分析

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)和《公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D65-01—2007)計(jì)算斜拉橋主梁在正常使用極限狀態(tài)下的撓度，主梁變形見圖3。

由圖3可知，主梁下?lián)献畲笾禐?01 mm，上撓最大值為7.4 mm，則計(jì)算撓度為208.4 mm，撓跨比小于設(shè)計(jì)規(guī)范要求的L/400(L為計(jì)算跨徑)，滿足規(guī)范要求。

圖3　主梁變形(單位:mm)

3.1斜拉索單索斷裂對主梁線形的影響

以S1，S6，S10和S13為例，單根拉索斷裂主梁節(jié)點(diǎn)位移變化曲線見圖4。圖中負(fù)值表示主梁在拉索斷裂后下?lián)希当硎局髁涸诶鲾嗔押笊蠐稀?/p>

圖4　單根拉索斷裂主梁節(jié)點(diǎn)位移變化曲線

分析圖4可知:

1)不同斜拉索斷裂對主梁線形影響不同。中間斜拉索S6斷裂對主梁線形影響最大，橋跨最外側(cè)斜拉索S13斷裂則影響最小。根據(jù)表1可知，斜拉索S13，S10，S6，S1的長度依次減小，由此可見，在空間扭轉(zhuǎn)索面斜拉橋中，拉索斷裂對主梁的影響與拉索長度沒有必然聯(lián)系;中間拉索斷裂產(chǎn)生的影響比外側(cè)拉索大，這與平面索面斜拉橋中長索對主梁線形影響大于短索的規(guī)律不同。

2)對比4種不同斷索的影響，斜拉索S1，S6斷裂對斷索跨的影響較大，主梁線形變化峰值出現(xiàn)在斷索錨固點(diǎn)附近，沿橋梁縱向向兩側(cè)遞減;斜拉索S10斷裂后線形變化峰值出現(xiàn)在非斷索跨上，斷索跨主梁部分上撓;斜拉索S13斷裂左右兩跨線形變化較小。

3)斜拉索S13斷裂致使非斷索跨主梁下?lián)希瑪嗨骺缰髁荷蠐?，撓度值變?絕對值)基本相同;左右兩跨線形整體變化不大;斜拉索S10斷裂致使右跨主梁部分上撓，部分下?lián)?，右跨主梁線形比左跨變化明顯;斜拉索S1，S6斷裂致使左跨下?lián)厦黠@，引起右跨主梁上撓。

3.2斜拉索雙索對稱斷裂對主梁線形的影響

斜拉索發(fā)生對稱斷裂時，按照3種情況進(jìn)行分析:①橫向?qū)ΨQ斷裂;②縱向?qū)ΨQ斷裂;③原點(diǎn)對稱斷裂。對稱斷裂組合見表3。

表3　對稱斷裂組合

由于橋梁結(jié)構(gòu)具有對稱性，當(dāng)斜拉索發(fā)生橫向?qū)ΨQ斷裂時，主梁線形也對稱變化。以橫向?qū)ΨQ斷裂為例，對主梁線形的影響見圖5。

圖5　橫向?qū)ΨQ斷裂對主梁線形的影響

分析圖5可知，當(dāng)斜拉橋拉索發(fā)生橫向?qū)ΨQ斷裂時，主梁較正常使用狀態(tài)下?lián)?主梁線形變化峰值出現(xiàn)在斷索錨固點(diǎn)附近，沿橋梁縱向向兩側(cè)遞減;斜拉橋主梁線形變化趨勢與相應(yīng)單索斷裂時線形變化規(guī)律基本一致，但斜拉索橫向?qū)ΨQ斷裂對主梁線形的影響比單索斷裂大，單索斷裂引起主梁線形變化值約為橫向?qū)ΨQ斷裂時的1/2，符合疊加原理。

分析在3種不同斷索情況下，拉索斷裂對主梁線形的影響，雙索對稱斷裂組合見圖6。

分析圖6可知:

1)斜拉索發(fā)生橫向?qū)ΨQ斷裂或原點(diǎn)對稱斷裂時，對主梁線形的影響趨勢相同且影響均較小。

2)斜拉索發(fā)生縱向?qū)ΨQ斷裂時，對主梁線形的影響規(guī)律與相應(yīng)單索斷裂影響規(guī)律一致，但縱向?qū)ΨQ斷裂對主梁線形影響較大。

圖6　雙索對稱斷裂組合

3)雙索斷裂比單索對主梁線形的影響斷裂大;與原點(diǎn)對稱斷裂和橫向?qū)ΨQ斷裂相比，縱向?qū)ΨQ斷裂對線形影響最大。該類型斜拉橋若進(jìn)行換索，建議采用橫向?qū)ΨQ或原點(diǎn)對稱方式換索。

4　結(jié)論

通過空間扭轉(zhuǎn)索面斜拉橋不同拉索斷裂組合的有限元分析，得出斜拉索斷裂對主梁線形的影響，結(jié)論如下:

1)不同斜拉索斷裂對主梁線形影響不同;中間斜拉索對主梁線形影響最大，橋跨最外側(cè)拉索斷裂影響最小?？臻g扭轉(zhuǎn)索面斜拉橋拉索斷裂對主梁的影響與拉索所處位置有關(guān)，這與平面索面斜拉橋規(guī)律不同。

2)主梁線形變化峰值出現(xiàn)在斷索錨固點(diǎn)附近，沿橋梁縱向向兩側(cè)遞減;斷索跨主梁線形變化明顯。

3)縱向?qū)ΨQ斷裂對主梁線形影響最大，橫向?qū)ΨQ斷裂和原點(diǎn)對稱斷裂的影響相對較小?？臻g扭轉(zhuǎn)索面斜拉橋若進(jìn)行換索，建議采用橫向?qū)ΨQ或原點(diǎn)對稱方式換索。

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(責(zé)任審編鄭冰)

Research on Influence of Cable Breaking on Line Shape of Cable-stayed Bridge with Spatial Torsion Cable Planes

CHEN Guosheng

(The 2nd Engineering Co.，Ltd.of the 18th Bureau Group of China Railway，Tangshan Hebei 063000，China)

Abstract:T aking the spatial torsion cable planes cable-stayed bridge of T ianjin as the engineering background，the simulation model was established by using the finite element software M idas/Civil to research on influence of single cable and double cables breaking on linear of main girder.Analysis results show that influence of cable breakage is different between spatial torsion cable planes cable-stayed bridge and cable planes cable-stayed bridge.T he middle cable breakage has more influence of cable-stayed bridge structure performance in spatial torsion cable planes cablestayed bridge.T he linear change of peak appeared at the vicinity of anchorage point，the displacement along the bridge longitudinal decreasing in both sides.Different cable breakage has different influence on linear and influence of double cable breakage is greater than single.Suggest that consider the way of transverse or origin symmetric in replacing cable.

Key words:Cable-stayed bridge;T orsion cable planes;Stay cables;Breakage and fracture;Linear

作者簡介:陳國勝(1970—)，男，工程師。

基金項(xiàng)目:住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目(2015-K3-021);天津市自然科學(xué)基金(13JCYBJC196000)

收稿日期:2015-10-12;修回日期:2016-01-03

文章編號:1003-1995(2016)03-0017-04

中圖分類號:TU311.41;U448.27

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.05