柴國貞

(廣東省交通規(guī)劃設計研究院集團股份有限公司,廣東 廣州 510507)

0 引言

隨著城市化的不斷發(fā)展和人口的不斷增長,交通運輸成為城市發(fā)展的重要支撐,而橋梁作為交通運輸?shù)闹匾M成部分,承擔著極其重要的角色。下承式系桿拱橋作為常見的橋梁形式之一,具有結構簡單、穩(wěn)定性好、承載能力強等特點,已經成為城市交通中不可或缺的一種橋梁形式。然而,隨著下承式系桿拱橋的長期使用,吊桿銹蝕問題已經逐漸浮現(xiàn),對下承式系桿拱橋的穩(wěn)定性和安全性產生了極大的影響,成為一個有待解決的問題。

吊桿是下承式系桿拱橋的重要組成部分,其承擔著分擔橋面荷載、支撐拱肋和系桿的重要作用。然而,吊桿銹蝕問題的存在會導致吊桿的承載能力和強度減弱,進而引發(fā)吊桿的變形、斷裂等問題,對下承式系桿拱橋的穩(wěn)定性和安全性造成不可忽視的影響。因此,研究吊桿銹蝕對下承式系桿拱橋穩(wěn)定性的影響對于確保橋梁的安全穩(wěn)定運行具有重要的理論和實踐意義。馬偉龍用ANSYS研究了銹蝕對疲勞壽命、應力集中系數(shù)等力學性能的影響[1];潘驍宇則探討了銹蝕鋼絲的脆斷機理以及力學性能,使用ABAQUS軟件建立模型進行對比分析和極限應變計算,并提出了分級辦法[2];吳敏慧等對吊桿鋼絲及錨箱銹蝕狀況進行了檢查并分析了銹蝕原因[3];此外,許多研究人員也通過對鋼筋銹蝕后力學性能及危害進行了研究,并得出了一些有關于銹蝕后力學性能的理論公式[4-8]。

因此,本文將以鋼筋銹蝕剝殼理論為基礎,模擬不同程度的吊桿銹蝕,探究不同程度的銹蝕對吊桿應力及拱橋穩(wěn)定性的影響。這將有助于深入了解吊桿銹蝕對下承式系桿拱橋穩(wěn)定性的影響,并提供理論支持和參考依據(jù),以確保橋梁的安全穩(wěn)定運行。

1 工程背景

某下承式系桿拱橋總跨徑為80 m,橋寬為16 m,拱橋矢跨比為1/4,采用二次拋物線形,拱肋與縱梁采用15對吊桿連接,最外側邊吊桿直徑為75 mm,其他吊桿直徑為65 mm。橋梁采用2根縱梁承擔橋面荷載,主梁采用箱型截面,尺寸為1.8 m×1.3 m,腹板厚度為0.25 m,頂?shù)装搴穸葹?.35 m。拱圈截面采用工字形,上下板寬1.3 m,板厚0.275 m,腹板厚0.7 m。橫梁采用帶肋箱型截面,端橫梁尺寸為1.6 m×1.6 m,中橫梁尺寸1.6 m×1.2 m,板厚均為0.05 m。拱肋及縱梁采用C50混凝土,風撐及橫梁采用Q345鋼材,鋼絞線為Strand1860鋼絞線。

2 吊桿銹蝕損傷估計

拱橋吊桿結構是一種常見的橋梁結構形式,吊桿通常由高強度鋼材制成,結構緊湊,具有較強的承載能力和抗震性能。然而,吊桿的銹蝕問題也是不可忽視的。吊桿長期暴露在空氣中,易受到氧化、腐蝕等因素的影響,形成銹蝕。銹蝕會使吊桿的截面積減小,降低其承載能力和安全性能,甚至可能導致橋梁倒塌事故的發(fā)生。

根據(jù)銹蝕的類型,可以分為表面銹蝕、孔洞型銹蝕和應力腐蝕裂紋等。表面銹蝕主要影響吊桿的外觀,不會對其承載能力產生明顯影響;孔洞型銹蝕則會使吊桿截面積減小,嚴重時可能導致吊桿破裂,危及橋梁安全;應力腐蝕裂紋則是由于吊桿長期受到應力作用而引起的,會使吊桿產生裂紋,進而導致吊桿破裂。

鋼筋的銹蝕率分為質量銹蝕率和截面銹蝕率兩種,質量銹蝕率反映的是質量的損失,但銹蝕率較大時,由于銹蝕對截面的消耗,質量銹蝕率不能很好地反映吊桿力學性能的損失,此時應使用截面銹蝕率來進行反映。截面銹蝕率采用的是最薄弱截面的銹蝕率,更為保守的考慮吊桿銹蝕后殘余強度。截面銹蝕率按式(1)計算:

ηmax=(S0-Smin)/S0

(1)

其中,S0為銹蝕前吊桿鋼絞線截面積;Smin為銹蝕后最小截面積。

楊良和孫立軍在研究中提出了鋼筋銹蝕剝殼效應,即銹蝕只會對鋼筋表面造成破壞,而對內部未銹蝕部分的鋼筋屈服強度和極限強度幾乎沒有影響。本文將這一理論應用到吊桿上,即隨著銹蝕程度的加劇,吊桿的有效作用面積不斷減小,而作用力保持不變,應力也隨之增大,承載能力因此下降。當應力超過承載能力時,吊桿就會發(fā)生破壞。對于銹蝕的吊桿,有效作用截面積即為從外層銹蝕部分剝離后的其余面積,按式(2)計算:

As(t)=A0(1-ηmax)

(2)

其中,As(t)為有效截面;A0為初始面積;ηmax為最薄弱截面銹蝕率。

3 穩(wěn)定性分析

3.1 有限元模型建立

為更加準確地分析吊桿銹蝕對系桿拱橋的空間穩(wěn)定性,采用Midas Civil建立拱橋的數(shù)值模型,拱肋、縱梁、橫梁采用梁單元進行模擬,吊桿和風撐采用桁架單元進行模擬,采用虛擬橫梁來承擔荷載。全橋模型共439個節(jié)點,601個單元,建模圖如圖1所示。

采用一般支承模擬橋梁支座,邊界條件如圖1所示。本文建模荷載只考慮恒載,恒載分為自重及均布荷載,均布荷載大小為11.5 N,荷載布置如圖2所示。

3.2 計算結果分析

本文采用銹蝕率為0,0.15,0.3,0.5的四組吊桿,分別對中間吊桿及最外側吊桿的銹蝕進行研究。依據(jù)公式(2),原截面尺寸及銹蝕后等效尺寸如表1所示。

表1 吊桿等效截面

圖3和圖4分別為中間吊桿銹蝕率為0,0.15,0.3,0.5時的內力圖,由圖可知,當?shù)鯒U發(fā)生銹蝕時,其內力隨銹蝕率增大而增大,其臨近吊桿內力隨之減小,其余吊桿內力發(fā)生微小變化。

圖5和圖6描述了中間電纜橫截面上不同程度腐蝕下的吊桿的應力分布和應力折線圖,腐蝕率分別為0,0.15,0.3,0.5。從圖中可以看出,中間吊桿的腐蝕導致應力增加,而其他吊桿的應力則略有下降。此外,隨著腐蝕程度的增加,中間吊桿的應力明顯增加,增幅分別為35.3 MPa,66.6 MPa,153.4 MPa,說明在更嚴重的腐蝕情況下,觀察到更高的增加率。相反,其余吊桿的應力只表現(xiàn)出最小的下降。這些發(fā)現(xiàn)表明,中間吊桿的腐蝕會對橋梁的整體應力分布產生影響,突出了監(jiān)測和維護吊桿腐蝕狀況以確保橋梁結構安全和壽命的重要性。

圖7和圖8分別為最外側邊吊桿銹蝕率為0,0.15,0.3,0.5時的內力圖,由圖可知,當?shù)鯒U發(fā)生銹蝕時,其內力隨銹蝕率增大而增大,其臨近吊桿內力隨之減小,其余吊桿只有小幅變化。

圖9和圖10顯示了拱橋最外側的吊桿在不同程度的腐蝕下的應力分布和折線圖,腐蝕率分別為0,0.15,0.3,0.5,從圖中可以看出,最外層的吊桿中的應力明顯增加,而相鄰的幾對電纜的應力則略有下降。此外,中央部分吊桿的應力也有小幅增加。最外側的吊桿中的應力隨著腐蝕程度的增加而不斷增加,增幅分別為30.9 MPa,43.2 MPa,103.5 MPa,增加的速度越來越明顯,而其余電纜中的應力相對來說增加較少。最外側吊桿銹蝕明顯比中部吊桿銹蝕應力變化較小,說明中部吊桿銹蝕對整體穩(wěn)定性的危害遠大于外側吊桿。

吊桿的應力分布分析的結果突出了腐蝕對橋梁結構的潛在危險。腐蝕會削弱吊桿的強度,導致應力集中的增加和結構失效的更高風險。最外層的吊桿特別容易受到腐蝕,因為它們暴露在惡劣的天氣條件和環(huán)境因素中,如水分、鹽水和污染物。此外,應力分布分析顯示,腐蝕對橋梁整體應力分布的影響不僅限于受影響的吊桿。相鄰的幾對纜繩和中央的幾對纜繩的應力也會發(fā)生微小的變化,這表明一條纜繩的腐蝕會對整個橋梁結構產生波紋效應。

因此,實施預防性維護措施以減輕腐蝕對橋梁結構的影響是至關重要的。定期檢查、清潔和涂抹吊桿有助于防止腐蝕和延長橋梁結構的壽命。此外,用于橋梁建設和維護的新材料和技術的發(fā)展可以提供更有效和持久的解決方案,以對抗腐蝕的影響。

圖11分別為無銹蝕,中間吊桿和最外側邊吊桿銹蝕率為0.5及同時銹蝕時的拱肋、縱梁、橫梁應力圖。由圖11可以看出無論是中間吊桿還是外側吊桿腐蝕,縱梁、拱肋、橫梁的應力均為出現(xiàn)較大改變,這是由于橋梁結構本身設計會相對保守,它允許其他吊桿承擔以前由被腐蝕的吊桿承擔的部分載荷,進而對橋梁整體的空間穩(wěn)定性影響較小。

4 結論

通過對不同銹蝕程度下的中間吊桿及最外側邊吊桿對拱橋結構應力的影響分析了銹蝕對橋梁吊桿的危害,得到了以下結論:

1)單對吊桿銹蝕會造成其本身有效截面減小,應力大幅增加,增大其破壞可能性,對其他吊桿應力影響較小。2)單對吊桿銹蝕對拱肋、縱梁等應力影響很小,對橋梁整體空間穩(wěn)定性影響較小,除非發(fā)生斷裂破壞。