拉索损伤对斜拉桥静力性能影响分析

张可心， 孙全胜

(东北林业大学， 黑龙江 哈尔滨　150040)



拉索损伤对斜拉桥静力性能影响分析

张可心， 孙全胜

(东北林业大学， 黑龙江 哈尔滨150040)

[摘要]为研究拉索损伤对斜拉桥的影响，建立拉索损伤模型。以某双塔双索面斜拉桥为背景，采用空间有限元模型对拉索损伤进行力学分析，探讨其拉索损伤对斜拉桥挠度和索力的影响”，计算结果可为同类斜拉桥监测和维护提供参考。

[关键词]斜拉桥； 拉索损伤； 静力性能； 挠度； 索力

0前言

如今，桥梁监测深受人们的重视。由于斜拉索自身特点和外界环境因素的影响，很容易发生损坏，研究拉索损伤对斜拉桥结构性能的影响显得尤为重要[1]。考虑到斜拉索的损伤必然导致其索力的变化及重分布，且斜拉索索力的变化也必然反映到桥面的挠度变化上[2]。本文以四方台大桥为例，探讨其拉索损伤对斜拉桥挠度和索力两个方面的影响。

1工程概况

四方台大桥采用双塔双索面半漂浮体系结合梁斜拉桥。主桥采用44 m(过渡跨)+136 m(边跨)+336 m(主跨)+136 m(边跨)+44 m(过渡跨)桥跨布置形式，设计荷载：汽车—超20级，挂车—120。双向共四车道。索塔为门式塔，设置上下两道横梁。主梁截面以两工字钢边梁肋、横梁及中间小纵梁，与混凝土桥面板结合形成组合截面。两工字钢边梁肋间距29.2 m。主梁在布索道处梁高为2.2 m。拉索采用φ7低松弛预应力镀锌高强钢丝。同心同向扭绞2°～4°，外包PE防护材料。全桥共计52对拉索，其丝数为163～367丝。桥型布置如图1所示。

图1　四方台大桥总体布置(单位： m)Figue 1　Overall arrangement of sifangtai bridge(unit： m)

2拉索损伤分析

斜拉索在服役过程中承受车辆、风、地震等自然因素和人为因素的作用，还要承受自然环境中化学腐蚀介质的侵蚀[3，4]。根据斜拉索使用状况的调查，斜拉索出现损伤主要原因有4种。 ①拉索局部疵点，如钢丝缺陷、锈斑、缺陷等； ②拉索截面面积减少，如索股磨损、外界腐蚀导致拉索截面面积减少； ③斜拉索柔性特征和对环境的响应，导致疲劳或者剧烈振动。 ④偶然事故，如斜拉桥发生火灾，高温下拉索极限强度急剧下降致使发生断丝。无论何种原因导致拉索损伤，当损伤发生时，在一定程度上导致桥梁力学性能的改变。

2.1拉索损伤模型

斜拉索是由若干根平行钢丝束组成，并且认为承受单独轴向力作用[5]。用统计学方法来研究材料和结构中的损伤，引入一维钢丝束模型来进一步表征其损伤特征，如图2所示，假设平行丝束是由大量平行纤维丝组成，每根纤维丝是相互独立的，没有侧向相互作用的剪应力，而且纤维丝长度一致，这与斜拉索中平行钢丝组成是一致的。纤维束的力学性能完全取决于每根钢丝的强度、刚度等，平行丝束的力学性质跟每根平行丝的弹性模量分布情况有关，如果每根平行丝的弹性模量相同，那么他们所承受的应力也会相同，为：

(1)

其中λ为断裂平行丝(失效平行丝)数量与总平行丝数量比值，相当于Kachanov损伤模型中的连续性变量φ，Rabotnov推广概念中的损伤变量D。

图2　平行束模型示意图Figue 2　A Model for the parallel fiber

2.2不同拉索损伤分析

采用MIDAS/CIVIL进行有限元模型建立，两侧钢主梁梁肋、小纵梁及横梁均采用梁单元模拟，钢主梁梁肋为主要承重构件，其与中间小纵梁通过钢横梁进行连接，形成空间梁格结构，钢横梁与主梁及小纵梁通过共用节点连接在一起。混凝土桥面板通过均布力形式进行模拟。有限元模型如图3所示。

图3　桥梁有限元模型图Figue 3　Finite element model of the bridge

首先讨论辅助跨、边跨纵向不同拉索致损伤下，对主梁线型影响。便于分析，取既对称于主梁轴线又对称于桥跨跨中成对拉索作为研究对象，损伤程度取拉索断裂状态，分析在拉索断裂情况下对桥梁主梁线形影响。边跨、辅助跨损伤工况如表1所示，损伤后对主梁的挠度影响如图4所示。其中跨中挠度变化百分比=(跨中挠度-无损工况跨中挠度)/无损工况跨中挠度。

表1 辅助跨、边跨拉索损伤工况Table1 Cabledamageconditionofauxiliaryacrossandsidespan工况跨中挠度增量/mm跨中挠度变化百分比/%无损00 S13+N13(辅助跨)18514.62S11+N11(辅助墩)1198.19S8+N8(边跨)271.92S6+N6(边跨)20.02S1+N1(边跨)-3-0.03

见图4，通过S13+N13和S11+N11对比看出。背索对主梁线形影响较大，主跨挠度、边跨反拱及过渡跨挠度增大明显，尤其以最外侧背索影响最大，相对于最外侧背索，靠近内侧背索损伤对主梁线形影响有减小的趋势。其它拉索损伤对主梁线形的影响，仅在其锚固在主梁位置处变化较大。可以通过S8+N8和S6+N6看出：由于拉索受损伤影响，其锚固处失去弹性支撑，加之恒载重力作用，导致锚固位置附近处下挠。

由S1+N1及无损可以很清晰的看出，靠近主塔拉索损伤与无损情况下主梁线形几乎一致，说明靠近主塔处拉索损伤对主梁线形影响非常小。

对于主跨拉索损伤的情况，取主跨长索、中长索和塔根处短索三组索进行情况分析，拉索损伤工况如表2所示，主梁挠度变化情况如图5所示。

表2 主跨拉索损伤工况说明Table2 Cabledamageconditionofmainspan工况跨中挠度增量/mm跨中挠度变化百分比/%无损00SC13+NC1336228.53SC7+NC75-0.30SC1+NC11-0.05

图5　主跨不同拉索损伤下主梁挠度变化图Figue 5　Main girder deflection of different cable damage of main span

由图5可知：主跨部分拉索损伤对边跨及过渡跨主梁线形影响非常小，与无损状态相比，只有跨中拉索损伤时主梁下挠明显，其它拉索损伤情况下主跨挠度变化较为平缓。

通过相同方法统计得到不同拉索损伤下，对全桥拉索索力变化影响，结果背索损伤下对其它拉索索力影响最大，那么以背索为例分析在不同损伤情形下其它索索力变化。南岸上游侧单根拉索损伤时上游侧拉索索力为U-SU13，上游侧关于跨中对称两根拉索损伤时上游侧索力为U-(SU13+NU13)，南岸一对拉索损伤时上游侧拉索索力为U-S13，关于跨中对称两对拉索损伤时上游侧索力为U-(S13+U13)，并与无损伤情况下形成对比。图6为背索不同损伤情况下，其它拉索索力变幅，用来表示索力变化程度。

索力变幅=(损伤后索力值-无损索力值)/无损索力值。

图6　背索不同情形损伤下索力变幅Figue 6　Cable force amplitude of different damage situation of dorsal funiculus

由图6可见：沿主跨跨中不对称损伤情况下跨中索力降低较明显，通过U-SU13、U-S13和U-SU13+NU13、U-S13+N13比较很容易看出；成对背索同时损伤情况下，其附近3根拉索索力增加明显，索力变幅均达到20%以上，通过U-S13、U-(S13+N13)和U-SU13、U-(SU13+NU13)比较很容易看出。

斜拉索设计强度为1 750 MPa，考虑2.5倍的安全系数，则斜拉索最大服役强度不能超过628 MPa。最外侧背索S13断裂损伤，导致临近拉索S12索力虽然未达到警戒值，但富余量已经很小，因此桥梁运营中外侧背索应受到特殊关注。

2.3拉索不同损伤程度影响分析

由2.1可知：不同拉索损伤下主梁线形变化可知，背索及跨中拉索损伤对斜拉桥为整体性能影响，其它拉索表现为对桥梁局部性能影响，同时突出损伤对桥梁特性影响，因此以背索S13、S12共同损伤及SC13、SC12共同损伤为例，分析边跨拉索不同程度损伤下，对桥梁线形和全桥索力影响。假定本桥根据损害模拟后弹性模量退减为25%、50%和75%，辅助跨背索和主跨背索不同损伤程度下挠度变化如图7和图8所示。

由图7、图8可见：在弹性工作范围内，拉索程度损伤对桥梁挠度影响的趋势是不变的，表现为量的变化，随着损伤程度的增加，挠度有加速增加的趋势；非对称拉索损伤时，损伤发生在边跨时，主跨挠度峰值会靠近损伤侧；损伤发生在主跨时，挠度峰值会背离损伤侧。

为了分析不同拉索损伤程度对其它拉索影响，对背索(S13和S12)和两对跨中拉索(SC13和由图9、图10可见：背索和跨中拉索损伤对彼此索力相互影响，但与自身附近拉索索力变幅比较则影响较小。损伤超过50%时，拉索附近的几根索索力变幅超过10%。跨中拉索发生损伤，其临近长索索力变幅比短索大。

图7　背索(S13、S12)不同损伤程度下挠度变化Figue 7　Main girder deflection of different damage degree of dorsal funiculus(S13、S12)

图8　主跨跨中索(SC13、SC12)不同损伤程度下挠度变化Figue 7　Main girder deflection of different damage degree of the middle cables of mainspan(SC13、SC12)

SC12)在不同损伤程度下对其它拉索影响进行分析，现统计，背索和跨中拉索不同损伤程度下其它拉索索力变幅，见图9和图10。

图9　背索(S13、S12)不同损伤程度下其它索索力变幅Figue 9　Cable force amplitude of different damage degree of dorsal funiculus

图10　跨中索(SC13、SC12)不同损伤程度下其它索索力变幅Figue 9　Cable force amplitude of different damage degree of the middle cables of mainspan(SC13、SC12)

3结论

① 背索对主梁线形影响较大，主跨挠度、边跨反拱及过渡跨挠度增大明显。其它拉索损伤对主梁线形的影响，仅在其锚固在主梁位置处变化较大，由于其锚固处失去弹性支撑。近主塔处拉索损伤对主梁线形影响非常小。主跨部分拉索损伤对边跨及过渡跨主梁线形影响非常小，只有跨中拉索损伤时主梁下挠明显。

② 最外侧背索S13断裂损伤，导致临近拉索S12索力虽然未达到警戒值，但富余量已经很小，因此桥梁运营中外侧背索应受到特殊关注。

③ 在弹性工作范围内，拉索程度损伤对桥梁挠度影响的趋势是不变的，表现为量的变化。非对称拉索损伤时，损伤发生在边跨时，主跨挠度峰值会靠近损伤侧；损伤发生在主跨时，挠度峰值会背离损伤侧。

④ 背索和跨中拉索损伤对彼此索力相互影响，但与自身附近拉索索力变幅比较则影响较小。损伤超过50%时，拉索附近的几根索索力变幅超过10%。

[参考文献]

[1]李振.拉索损伤对矮塔斜拉桥自振特性影响[J].公路工程，2013，38(5)：274-277.

[2]詹建辉，陈卉.特大跨度连续刚构桥主梁下挠及箱梁裂缝成因分析[J].中外公路，2005，25(1)：56-58.

[3]赵青，孙强.拉索损伤对斜拉桥自振特性的影响分析[J].河海大学学报，2010，40(6)：654-657.

[4]徐俊.拉索损伤演化机理与剩余使用寿命评估[D].上海：同济大学，2006.

[5]张志国，杜召华，殷春足.斜拉索火致损害及换索模拟计算分析[J].石家庄铁道大学学报：自然科学版，2009，24(1)：12-15.

The Impact Analysis of Cable Damage on the Static Performance of Cable-Stayed Bridge

SUN Quansheng， ZHANG Kexin

(Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang 150040， China)

[Abstract]For the research of the impact of cable damage on the cable-stayed bridge.，cable damage model is established T.he paper takes the space finite element model for cable damage mechanical analysis based on the background of the cable-stayed bridge with double pylons and double cable planes，and it discusses the mechanical characteristics of relationship of main girder deflection and cable force based on cable damage，the results can be used for health monitoring and maintenance reference of the same type of bridge.

[Key words]cable-stayed bridge； cable damage； static performance； deflection； cable force

[收稿日期]2014-11-21

[作者简介]张可心(1989-)，男，辽宁新民人，博士，主要从事桥梁加固研究工作。

[中图分类号]U 448.27

[文献标识码]A

[文章编号]1674-0610(2016)03-0035-05