楊東 董福民 寧曉駿 陳茂

(1.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 昆明 650500； 2.云南建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施投資股份有限公司 昆明 650000)

0 引言

我國(guó)公路橋梁的發(fā)展日新月異，橋型不斷增多，其中，矮塔斜拉橋又被稱為部分斜拉橋，它綜合了連續(xù)梁(剛構(gòu))橋和斜拉橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，橋塔相比常規(guī)斜拉橋矮了一半左右，具有跨越能力大、主梁剛度大、施工方便、節(jié)省材料、景觀效果好等優(yōu)點(diǎn)，是一種剛?cè)峒鎮(zhèn)涞男滦蜆蛄篬1-2]。矮塔斜拉橋的斜拉索數(shù)量比普通斜拉橋的少，但能承擔(dān)部分荷載提高主梁的受力性能和抗疲勞能力，減少主梁材料的使用量和結(jié)構(gòu)自重。而在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，斜拉索常處于高應(yīng)力狀態(tài)[3]，加上長(zhǎng)期受車(chē)輛荷載、風(fēng)荷載、高強(qiáng)鋼絲延性下降、雨水侵蝕等影響，若養(yǎng)護(hù)不當(dāng)或未及時(shí)更換，極易存在斜拉索失效、斷裂等風(fēng)險(xiǎn)，而且斜拉索突然斷裂會(huì)引起橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不平衡的動(dòng)力響應(yīng)，并出現(xiàn)連續(xù)斷索現(xiàn)象[4]，對(duì)行車(chē)安全和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成較大影響。

近幾年國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)斜拉索斷裂進(jìn)行了較多研究。黃華等[5]研究雙鋼拱塔斜拉橋單根斷索和雙根斷索分別對(duì)主梁線形、剩余拉索索力、主梁及索塔應(yīng)力的影響，得出不同斷索位置對(duì)主梁的位移、應(yīng)力變化規(guī)律，越靠近斷索處的拉索索力增量越大，雙根斷索符合單獨(dú)單根斷索的疊加原理；張建等[6]基于結(jié)構(gòu)瞬態(tài)動(dòng)力方法，分析不同位置斷索對(duì)大跨斜拉橋加勁梁彎矩和位移的影響，發(fā)現(xiàn)跨中合龍段附近斷索會(huì)使主梁彎矩增幅較大，為最不利工況；梅曉亮[7]以橋梁承載力為指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)斷索對(duì)異形斜塔斜拉橋的影響，得出主跨承載力受斷索的影響大于邊跨，同時(shí)與加載方式和斷索位置有關(guān)；劉揚(yáng)等[8]基于斜拉索抗力退化概率模型，結(jié)合工程實(shí)例，研究出腐蝕和疲勞對(duì)結(jié)構(gòu)可靠度的影響規(guī)律。上述文獻(xiàn)研究的是常規(guī)斜拉橋或異形斜拉橋的斷索情況，而鮮有學(xué)者研究矮塔斜拉橋的斷索效應(yīng)。因此，本文對(duì)浙江某矮塔斜拉橋建立有限元模型，分析單側(cè)單束斷索和雙側(cè)對(duì)稱斷索兩種工況斷索對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。

1 工程背景

本文以浙江某矮塔斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘埃摌蚩傞L(zhǎng)為710 m，橋面寬為36 m，采用單索面三塔四跨形式，橋跨布置形式為(140+2×225+120)m；主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土變截面箱梁(單箱三室)，橋塔為人字形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，7#、9#邊塔高為35 m，8#主塔高為45 m，橋墩為雙肢矩形薄壁墩(3.1 m×1.8 m)，橋塔與橋墩固結(jié)；主梁、橋塔和橋墩采用C60混凝土，承臺(tái)、樁基均采用C30混凝土；斜拉索布置為內(nèi)側(cè)單面雙排索，單根采用φ15.2 mm鋼絞線，fpk=1 860 MPa，彈性模量Ep=1.95×105MPa，全橋共108束斜拉索。橋型布置如圖1所示。

圖1 橋型立面布置(單位:cm)

2 有限元建模

使用橋梁有限元軟件Midas/Civil對(duì)該橋建立整體空間模型，如圖2所示。主梁、橋塔、橋墩、承臺(tái)和樁基均采用空間梁?jiǎn)卧M；將斜拉索視為線彈性材料，使用僅受拉的桁架單元進(jìn)行模擬，即只考慮初拉力，忽略垂度的折減效應(yīng)。橋塔與主梁、斜拉索與主梁、主梁與橋墩的連接均使用彈性連接中的剛性進(jìn)行模擬，橋墩與承臺(tái)、承臺(tái)與樁基采用剛性連接，邊跨支座位置使用一般支承，樁底固結(jié)并采用等效土彈簧模擬樁-土作用，彈簧剛度按“M”法計(jì)算[9]。靜力荷載主要有結(jié)構(gòu)自重、鋼束預(yù)應(yīng)力、混凝土濕重、掛籃自重和二期恒載等。此模型共有2 099個(gè)節(jié)點(diǎn)、1 096個(gè)梁?jiǎn)卧?08個(gè)桁架單元。

圖2 矮塔斜拉橋有限元模型

3 斷索效應(yīng)研究

表1 斷索效應(yīng)分析工況

3.1 單側(cè)單束斷索研究

根據(jù)工況1，分別記錄斷裂拉索后的各指標(biāo)值。為考慮斷裂側(cè)和未斷裂側(cè)索力變化的區(qū)別，繪制單側(cè)單束斷索后的斷索側(cè)和未斷索側(cè)的索力變化，如圖3和圖4所示，其中被斷裂的斜拉索索力為空值。同時(shí)考慮主塔(8#)和邊塔(7#、9#)的塔頂位移變化，如表2所示。橋梁彎矩如圖5所示，該橋最大正彎矩出現(xiàn)在主梁跨中，因此分析斷索側(cè)和未斷索側(cè)的主梁跨中彎矩變化來(lái)反映不同位置斷索對(duì)主梁線形的影響，如圖6所示。

圖3 斷索側(cè)索力變化

圖4 未斷索側(cè)索力變化

根據(jù)表2可知，主塔單側(cè)單束斜拉索斷裂對(duì)邊塔的塔頂DX位移影響較小，而7#橋塔為近斷索側(cè)，因此7#塔頂?shù)腄X位移變化比9#塔頂明顯，其中最大位移變化量為4.98 mm(S18斷裂時(shí))；主塔單側(cè)單束斜拉索斷裂對(duì)主塔DX位移的影響較大，且與拉索距橋塔的距離成正比，其中最大位移變化率為275.4%(S18斷裂時(shí))。

表2 單側(cè)斷索塔頂DX位移變化

圖5 橋梁彎矩

圖6 單側(cè)斷索跨中彎矩變化

根據(jù)圖6可以發(fā)現(xiàn)，主塔單側(cè)斷索會(huì)使主梁跨中彎矩增大，其中斷索側(cè)的跨中彎矩增長(zhǎng)幅度大于未斷索側(cè)，最外側(cè)的斜拉索S18對(duì)跨中彎矩影響最大。

3.2 雙側(cè)對(duì)稱斷索研究

與單側(cè)單束斷索同理，根據(jù)工況2分析得出主塔雙側(cè)對(duì)稱斷索后的索力變化、塔頂DX位移變化、跨中彎矩變化分別如圖7、表3和圖8所示。

圖7 對(duì)稱斷索索力變化

由圖7可以發(fā)現(xiàn)，主塔雙側(cè)對(duì)稱斷索會(huì)使其他斜拉索的索力增大，但總體增幅較小，其中S1和S5對(duì)稱斷索時(shí)，S9索力增量最大；S9和S18對(duì)稱斷索時(shí)，S14索力增量最大；S18對(duì)稱斷索時(shí)，S14索力增量最大。該結(jié)果與單側(cè)斷索相同，但對(duì)稱斷索的增量較小，斷索后S1～S18的索力變化趨勢(shì)與斷索前基本相同。

根據(jù)表3可知，雙側(cè)對(duì)稱斷索對(duì)主塔的塔頂DX位移影響較小，最大變化率僅為2.7%(S18斷裂時(shí))；對(duì)邊塔的影響較大，位移量和變化率隨拉索與橋塔距離的增大而增大，7#、9#橋塔的位移變化率接近，最大變化率均在S18斷裂時(shí)發(fā)生，分別為10.9%和11.4%。

表3 對(duì)稱斷索塔頂位移變化

圖8 對(duì)稱斷索跨中彎矩變化

通過(guò)圖8可以發(fā)現(xiàn)，雙側(cè)對(duì)稱斷索使主塔兩側(cè)主梁跨中彎矩增大，并且左側(cè)和右側(cè)的增長(zhǎng)趨勢(shì)相同，證明主梁跨中彎矩變化均勻，S18對(duì)稱斷裂時(shí)跨中彎矩增量最大；左側(cè)主梁跨中彎矩比右側(cè)大，是由于左側(cè)邊跨較大的影響，與本試驗(yàn)控制數(shù)據(jù)無(wú)關(guān)。

4 結(jié)論

本文依托浙江某矮塔斜拉橋，建立Midas/Civil有限元模型，分析了單側(cè)單束斷索和雙側(cè)對(duì)稱斷索對(duì)斜拉索索力、塔頂DX位移、主梁跨中彎矩的影響，得到以下結(jié)論：

(1)斷索會(huì)使其他斜拉索索力增大，發(fā)生索力重分布，單側(cè)單束斷索對(duì)斷索側(cè)的索力影響較大，對(duì)未斷索側(cè)的影響較??；雙側(cè)對(duì)稱斷索對(duì)主塔兩側(cè)的索力變化影響相同，即對(duì)稱斷索后斜拉索仍然處于平衡態(tài)，但未斷拉索的索力有所增大。

(2)單側(cè)單束斷索對(duì)主塔的塔頂DX位移影響較大，對(duì)邊塔的影響較小，雙側(cè)對(duì)稱斷索與前者相反。

(3)斷索會(huì)使主梁跨中彎矩增大，其中單側(cè)單束斷索對(duì)斷索側(cè)跨中彎矩影響較大，對(duì)未斷索側(cè)影響較??；雙側(cè)對(duì)稱斷索時(shí)，主塔兩側(cè)跨中彎矩增長(zhǎng)趨勢(shì)相同。

(4)最外側(cè)的斜拉索斷裂對(duì)其他拉索索力、塔頂DX位移、主梁跨中彎矩的影響均為最大，因此在實(shí)際橋梁運(yùn)營(yíng)中，應(yīng)注重保護(hù)外側(cè)斜拉索，避免出現(xiàn)斷索影響橋梁安全。