吊杆锈蚀对下承式系杆拱桥稳定性的影响研究

柴国贞

(广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司,广东 广州 510507)

0 引言

随着城市化的不断发展和人口的不断增长,交通运输成为城市发展的重要支撑,而桥梁作为交通运输的重要组成部分,承担着极其重要的角色。下承式系杆拱桥作为常见的桥梁形式之一,具有结构简单、稳定性好、承载能力强等特点,已经成为城市交通中不可或缺的一种桥梁形式。然而,随着下承式系杆拱桥的长期使用,吊杆锈蚀问题已经逐渐浮现,对下承式系杆拱桥的稳定性和安全性产生了极大的影响,成为一个有待解决的问题。

吊杆是下承式系杆拱桥的重要组成部分,其承担着分担桥面荷载、支撑拱肋和系杆的重要作用。然而,吊杆锈蚀问题的存在会导致吊杆的承载能力和强度减弱,进而引发吊杆的变形、断裂等问题,对下承式系杆拱桥的稳定性和安全性造成不可忽视的影响。因此,研究吊杆锈蚀对下承式系杆拱桥稳定性的影响对于确保桥梁的安全稳定运行具有重要的理论和实践意义。马伟龙用ANSYS研究了锈蚀对疲劳寿命、应力集中系数等力学性能的影响[1];潘骁宇则探讨了锈蚀钢丝的脆断机理以及力学性能,使用ABAQUS软件建立模型进行对比分析和极限应变计算,并提出了分级办法[2];吴敏慧等对吊杆钢丝及锚箱锈蚀状况进行了检查并分析了锈蚀原因[3];此外,许多研究人员也通过对钢筋锈蚀后力学性能及危害进行了研究,并得出了一些有关于锈蚀后力学性能的理论公式[4-8]。

因此,本文将以钢筋锈蚀剥壳理论为基础,模拟不同程度的吊杆锈蚀,探究不同程度的锈蚀对吊杆应力及拱桥稳定性的影响。这将有助于深入了解吊杆锈蚀对下承式系杆拱桥稳定性的影响,并提供理论支持和参考依据,以确保桥梁的安全稳定运行。

1 工程背景

某下承式系杆拱桥总跨径为80 m,桥宽为16 m,拱桥矢跨比为1/4,采用二次抛物线形,拱肋与纵梁采用15对吊杆连接,最外侧边吊杆直径为75 mm,其他吊杆直径为65 mm。桥梁采用2根纵梁承担桥面荷载,主梁采用箱型截面,尺寸为1.8 m×1.3 m,腹板厚度为0.25 m,顶底板厚度为0.35 m。拱圈截面采用工字形,上下板宽1.3 m,板厚0.275 m,腹板厚0.7 m。横梁采用带肋箱型截面,端横梁尺寸为1.6 m×1.6 m,中横梁尺寸1.6 m×1.2 m,板厚均为0.05 m。拱肋及纵梁采用C50混凝土,风撑及横梁采用Q345钢材,钢绞线为Strand1860钢绞线。

2 吊杆锈蚀损伤估计

拱桥吊杆结构是一种常见的桥梁结构形式,吊杆通常由高强度钢材制成,结构紧凑,具有较强的承载能力和抗震性能。然而,吊杆的锈蚀问题也是不可忽视的。吊杆长期暴露在空气中,易受到氧化、腐蚀等因素的影响,形成锈蚀。锈蚀会使吊杆的截面积减小,降低其承载能力和安全性能,甚至可能导致桥梁倒塌事故的发生。

根据锈蚀的类型,可以分为表面锈蚀、孔洞型锈蚀和应力腐蚀裂纹等。表面锈蚀主要影响吊杆的外观,不会对其承载能力产生明显影响;孔洞型锈蚀则会使吊杆截面积减小,严重时可能导致吊杆破裂,危及桥梁安全;应力腐蚀裂纹则是由于吊杆长期受到应力作用而引起的,会使吊杆产生裂纹,进而导致吊杆破裂。

钢筋的锈蚀率分为质量锈蚀率和截面锈蚀率两种,质量锈蚀率反映的是质量的损失,但锈蚀率较大时,由于锈蚀对截面的消耗,质量锈蚀率不能很好地反映吊杆力学性能的损失,此时应使用截面锈蚀率来进行反映。截面锈蚀率采用的是最薄弱截面的锈蚀率,更为保守的考虑吊杆锈蚀后残余强度。截面锈蚀率按式(1)计算:

ηmax=(S0-Smin)/S0

(1)

其中,S0为锈蚀前吊杆钢绞线截面积;Smin为锈蚀后最小截面积。

杨良和孙立军在研究中提出了钢筋锈蚀剥壳效应,即锈蚀只会对钢筋表面造成破坏,而对内部未锈蚀部分的钢筋屈服强度和极限强度几乎没有影响。本文将这一理论应用到吊杆上,即随着锈蚀程度的加剧,吊杆的有效作用面积不断减小,而作用力保持不变,应力也随之增大,承载能力因此下降。当应力超过承载能力时,吊杆就会发生破坏。对于锈蚀的吊杆,有效作用截面积即为从外层锈蚀部分剥离后的其余面积,按式(2)计算:

As(t)=A0(1-ηmax)

(2)

其中,As(t)为有效截面;A0为初始面积;ηmax为最薄弱截面锈蚀率。

3 稳定性分析

3.1 有限元模型建立

为更加准确地分析吊杆锈蚀对系杆拱桥的空间稳定性,采用Midas Civil建立拱桥的数值模型,拱肋、纵梁、横梁采用梁单元进行模拟,吊杆和风撑采用桁架单元进行模拟,采用虚拟横梁来承担荷载。全桥模型共439个节点,601个单元,建模图如图1所示。

采用一般支承模拟桥梁支座,边界条件如图1所示。本文建模荷载只考虑恒载,恒载分为自重及均布荷载,均布荷载大小为11.5 N,荷载布置如图2所示。

3.2 计算结果分析

本文采用锈蚀率为0,0.15,0.3,0.5的四组吊杆,分别对中间吊杆及最外侧吊杆的锈蚀进行研究。依据公式(2),原截面尺寸及锈蚀后等效尺寸如表1所示。

表1 吊杆等效截面

图3和图4分别为中间吊杆锈蚀率为0,0.15,0.3,0.5时的内力图,由图可知,当吊杆发生锈蚀时,其内力随锈蚀率增大而增大,其临近吊杆内力随之减小,其余吊杆内力发生微小变化。

图5和图6描述了中间电缆横截面上不同程度腐蚀下的吊杆的应力分布和应力折线图,腐蚀率分别为0,0.15,0.3,0.5。从图中可以看出,中间吊杆的腐蚀导致应力增加,而其他吊杆的应力则略有下降。此外,随着腐蚀程度的增加,中间吊杆的应力明显增加,增幅分别为35.3 MPa,66.6 MPa,153.4 MPa,说明在更严重的腐蚀情况下,观察到更高的增加率。相反,其余吊杆的应力只表现出最小的下降。这些发现表明,中间吊杆的腐蚀会对桥梁的整体应力分布产生影响,突出了监测和维护吊杆腐蚀状况以确保桥梁结构安全和寿命的重要性。

图7和图8分别为最外侧边吊杆锈蚀率为0,0.15,0.3,0.5时的内力图,由图可知,当吊杆发生锈蚀时,其内力随锈蚀率增大而增大,其临近吊杆内力随之减小,其余吊杆只有小幅变化。

图9和图10显示了拱桥最外侧的吊杆在不同程度的腐蚀下的应力分布和折线图,腐蚀率分别为0,0.15,0.3,0.5,从图中可以看出,最外层的吊杆中的应力明显增加,而相邻的几对电缆的应力则略有下降。此外,中央部分吊杆的应力也有小幅增加。最外侧的吊杆中的应力随着腐蚀程度的增加而不断增加,增幅分别为30.9 MPa,43.2 MPa,103.5 MPa,增加的速度越来越明显,而其余电缆中的应力相对来说增加较少。最外侧吊杆锈蚀明显比中部吊杆锈蚀应力变化较小,说明中部吊杆锈蚀对整体稳定性的危害远大于外侧吊杆。

吊杆的应力分布分析的结果突出了腐蚀对桥梁结构的潜在危险。腐蚀会削弱吊杆的强度,导致应力集中的增加和结构失效的更高风险。最外层的吊杆特别容易受到腐蚀,因为它们暴露在恶劣的天气条件和环境因素中,如水分、盐水和污染物。此外,应力分布分析显示,腐蚀对桥梁整体应力分布的影响不仅限于受影响的吊杆。相邻的几对缆绳和中央的几对缆绳的应力也会发生微小的变化,这表明一条缆绳的腐蚀会对整个桥梁结构产生波纹效应。

因此,实施预防性维护措施以减轻腐蚀对桥梁结构的影响是至关重要的。定期检查、清洁和涂抹吊杆有助于防止腐蚀和延长桥梁结构的寿命。此外,用于桥梁建设和维护的新材料和技术的发展可以提供更有效和持久的解决方案,以对抗腐蚀的影响。

图11分别为无锈蚀,中间吊杆和最外侧边吊杆锈蚀率为0.5及同时锈蚀时的拱肋、纵梁、横梁应力图。由图11可以看出无论是中间吊杆还是外侧吊杆腐蚀,纵梁、拱肋、横梁的应力均为出现较大改变,这是由于桥梁结构本身设计会相对保守,它允许其他吊杆承担以前由被腐蚀的吊杆承担的部分载荷,进而对桥梁整体的空间稳定性影响较小。

4 结论

通过对不同锈蚀程度下的中间吊杆及最外侧边吊杆对拱桥结构应力的影响分析了锈蚀对桥梁吊杆的危害,得到了以下结论:

1)单对吊杆锈蚀会造成其本身有效截面减小,应力大幅增加,增大其破坏可能性,对其他吊杆应力影响较小。2)单对吊杆锈蚀对拱肋、纵梁等应力影响很小,对桥梁整体空间稳定性影响较小,除非发生断裂破坏。