收稿日期：2024-03-22

作者簡(jiǎn)介：丁代偉（1986—），男，碩士研究生，高級(jí)工程師，研究方向：橋梁與隧道。

摘要 為了研究吊桿斷裂對(duì)拱形人行天橋拱圈力學(xué)的影響。文章以某拱形人行天橋?yàn)檠芯繉?duì)象，利用有限元軟件Midas Civil建立仿真模型，研究拱形人行天橋主拱圈的撓度以及應(yīng)力變化規(guī)律。研究表明：吊桿斷裂對(duì)主拱圈撓度以及應(yīng)力的影響是局部的，距離斷裂吊桿越近影響越大，距離越遠(yuǎn)影響越小。

關(guān)鍵詞 拱橋；拱圈應(yīng)力和撓度；吊桿斷裂

中圖分類號(hào) U448.225文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）11-0051-04

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快和城市交通需求的增長(zhǎng)，城市拱橋在連接道路、橋梁、交通樞紐等方面發(fā)揮著重要作用。吊桿作為拱橋的主要承重結(jié)構(gòu)，在橋梁的運(yùn)營(yíng)期間承受多種荷載的往復(fù)作用，極易發(fā)生斷裂以及損傷，進(jìn)而對(duì)橋梁安全產(chǎn)生潛在影響。因此，研究吊桿斷裂對(duì)于拱橋的影響非常重要。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于拱橋的研究也越來(lái)越深，柴文浩[1]等以某鋼管混凝土系桿拱橋?yàn)檠芯繉?duì)象，建立有限元模型，采用正裝迭代和倒拆相結(jié)合的方法計(jì)算其成橋索力，后與設(shè)計(jì)成橋索力相比較，驗(yàn)證了有限元模型的正確性。然后分析了吊桿斷裂的數(shù)量及斷裂位置對(duì)主梁線形、剩余吊桿內(nèi)力及拱肋應(yīng)力的變化規(guī)律。殷學(xué)綱[2]等基于中承式拱橋的有限元建模，考慮吊索損傷對(duì)吊索拉伸剛度的影響，運(yùn)用一階矩陣攝動(dòng)理論，采用剛性拱模型研究了中承式拱橋吊索損傷對(duì)吊索系靜張力的影響，導(dǎo)出了吊索系張力矢量因損傷變化的表達(dá)式，并用工程實(shí)例進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真研究。陳國(guó)勝[3]以一座空間扭轉(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(duì)主梁線形的影響規(guī)律。劉劍鋒[4]等針對(duì)拱橋吊桿內(nèi)部斷絲等現(xiàn)象，建立了不對(duì)稱斷絲后鋼絞線吊桿的損傷力學(xué)模型，分析推導(dǎo)了不對(duì)稱斷絲后鋼絲應(yīng)變與影響長(zhǎng)度、吊桿拉力損失率之間關(guān)系的表達(dá)式。徐宏[5]等采用有效橫截面積減小率模擬吊索損傷，通過(guò)仿真計(jì)算分析單根吊索和多根吊索發(fā)生不同程度損傷時(shí)，吊索系統(tǒng)靜拉力重分布規(guī)律。李彥兵[6]利用有限元仿真分析軟件Midas Civil建立了李家沱長(zhǎng)江大橋有限元仿真模型，分別模擬了多種情況下斷索損傷情況，研究了斜拉索斷裂對(duì)主梁線形、索力大小、主梁應(yīng)力及動(dòng)力性能的影響。曾勇[7]等以某中承式鋼管混凝土拱橋?yàn)檠芯繉?duì)象，綜合考慮了幾何非線性、荷載非線性等因素，對(duì)施工過(guò)程中拱肋吊裝的最大懸臂階段的空氣靜力穩(wěn)定性進(jìn)行了分析研究。利用Ansys有限元軟件建立了塔—索—梁一體化有限元分析模型，對(duì)半跨模型進(jìn)行了最大懸臂狀態(tài)的靜力分析和穩(wěn)定分析。王詩(shī)海[8]等采用Midas Civil軟件研究了不同等級(jí)風(fēng)荷載對(duì)施工過(guò)程中大跨度鋼管混凝土拱橋的力學(xué)性能的變化，對(duì)鋼管混凝土拱橋的橫橋向位移、軸力、拉壓應(yīng)力及拱腳處彎矩值的變化情況進(jìn)行了分析。基于以上學(xué)者的研究，為進(jìn)一步探索吊桿斷裂對(duì)拱形人行天橋拱圈的影響規(guī)律，該文以煙臺(tái)市某拱形人行天橋?yàn)楣こ瘫尘?，主要研究了拱形人行天橋主拱圈的撓度以及?yīng)力變化規(guī)律。

1 工程概況以及模型建立

煙臺(tái)市某人行天橋上跨道路，道路全寬為40.2 m。天橋主橋采用鋼拱肋+鋼箱梁的布置形式，兩端各連接梯道和坡道，其中主拱肋跨度90.73 m，主梁跨度為94.822 m，從拱頂?shù)焦澳_處，拱肋斷面寬度由0.8 m變化到1 m，高度從0.8 m變化到1.3 m。主拱頂?shù)装搴窬鶠?6 mm，腹板厚度也為16 mm，拱肋橫隔板間距約為

1.2 m一道。吊桿順橋向間距2.4 m布置，橫橋向隨拱肋傾斜布置，全橋共設(shè)置19根吊桿，吊桿直徑為120 mm鋼吊桿，通過(guò)耳板上端與拱肋相連接，下端與主梁連接，天橋立面以及拱圈示意圖如圖1～2所示。

采用有限元軟件Midas Civil建立全橋模型，全橋共457個(gè)節(jié)點(diǎn)，525個(gè)單元，除了鋼吊桿采用桁架單元外，其余均采用梁?jiǎn)卧?，其中桁架單?9個(gè)，梁?jiǎn)卧?06個(gè)。有限元模型如圖3所示。

2 吊桿斷裂對(duì)拱圈力學(xué)性能的影響

2.1 工況選擇

由于拱橋?qū)儆趯?duì)稱結(jié)構(gòu)，因此在進(jìn)行吊桿斷裂影響分析時(shí)，選擇單側(cè)具有代表性的吊桿進(jìn)行單獨(dú)斷裂，共計(jì)10個(gè)斷裂工況。組合斷裂選取DG1+DGL2、DGL5+DGL6、DGL9+DGL10三種工況，為方便分析，外荷載只施加自重、二期荷載，不施加溫度荷載、移動(dòng)荷載、風(fēng)荷載等，不考慮支座沉降。

2.2 吊桿斷裂對(duì)主拱圈撓度影響

分析了DG1、DGL3、DGL5、DGL7、DGL10五種不同位置吊桿單獨(dú)斷裂以及DG1+DGL2、DGL5+DGL6、

DGL9+DGL10三種吊桿組合斷裂對(duì)拱圈位移的影響。提取出不同工況下拱圈位移結(jié)果與不斷裂工況下拱圈位移做差值，計(jì)算結(jié)果如圖4～5所示。

通過(guò)分析五種不同位置吊桿單獨(dú)斷裂對(duì)拱圈位移的影響，可以得到以下結(jié)論：

（1）吊桿單獨(dú)斷裂對(duì)拱圈位移的影響是局部的，距離斷裂吊桿越遠(yuǎn)，拱圈位移所受的影響越小，距離越近影響越大。如DG1斷裂時(shí)，邊跨處的拱圈位移差值曲線斜率絕對(duì)值很小，曲線變化趨于平緩。

（2）中跨處吊桿斷裂對(duì)拱圈整體位移影響較小，邊跨處吊桿斷裂對(duì)拱圈整體位移影響較大。如DG1斷裂時(shí)僅對(duì)斷裂吊桿處鄰近拱圈位移有影響，對(duì)全橋的拱圈位移影響不大；DGL10斷裂時(shí)，不僅對(duì)斷裂吊桿處鄰近的拱圈位移有影響，對(duì)另一側(cè)相同位置的拱圈位移也有影響。

（3）斷裂吊桿越靠近邊跨，對(duì)拱圈位移影響越大。如DG1斷裂時(shí)，拱圈的位移差值最大為0.7 mm，DGL10斷裂時(shí)，拱圈的位移差值最大為1.3 mm。

通過(guò)分析吊桿組合斷裂對(duì)拱圈位移的影響，可以得到以下結(jié)論：

（1）吊桿組合斷裂對(duì)拱圈位移的影響是局部的，距離斷裂吊桿越遠(yuǎn)，拱圈位移曲線的斜率絕對(duì)值越來(lái)越小，拱圈位移所受的影響越小，距離越近影響越大。如DG1+DGL2組合斷裂時(shí)，邊跨處的拱圈位移差值曲線斜率絕對(duì)值很小，曲線變化趨于平緩。

（2）吊桿組合斷裂時(shí)，斷裂位置越靠近中跨對(duì)拱圈位移影響越大。如DG1+DGL2組合斷裂時(shí)拱圈的位移差值最大為1.9 mm；DGL9+DGL10組合斷裂時(shí)，拱圈的位移差值最大為1.3 mm。

2.3 吊桿斷裂對(duì)主拱圈應(yīng)力影響

分析了DG1、DGL3、DGL5、DGL7、DGL10五種不同位置吊桿單獨(dú)斷裂以及DG1+DGL2、DGL5+DGL6、

DGL9+DGL10三種吊桿組合斷裂對(duì)拱圈應(yīng)力的影響，計(jì)算結(jié)果如圖6～7所示。

通過(guò)分析吊桿單獨(dú)斷裂對(duì)拱圈應(yīng)力的影響，可以得到以下結(jié)論：

（1）拱圈的應(yīng)力曲線關(guān)于跨中處對(duì)稱，中跨處的應(yīng)力變化曲線變化不大，越靠近邊跨曲線的斜率絕對(duì)值越大，應(yīng)力曲線變化越明顯。

（2）吊桿單獨(dú)斷裂對(duì)拱圈應(yīng)力的影響是局部的，距離斷裂吊桿越遠(yuǎn)，拱圈應(yīng)力所受影響越小，距離越近影響越大。

（3）吊桿越靠近中跨處斷裂，對(duì)鄰近拱圈應(yīng)力影響越大；吊桿越靠近邊跨處斷裂，對(duì)鄰近拱圈應(yīng)力影響越小。

通過(guò)分析吊桿組合斷裂對(duì)拱圈應(yīng)力的影響，可以得到以下結(jié)論：

（1）拱圈的應(yīng)力曲線關(guān)于跨中處對(duì)稱，中跨處的應(yīng)力變化曲線變化不大，越靠近邊跨曲線的斜率絕對(duì)值越大，應(yīng)力曲線變化越明顯。

（2）吊桿組合斷裂對(duì)拱圈應(yīng)力的影響是局部的，距離斷裂吊桿越遠(yuǎn)，拱圈應(yīng)力所受影響越小，距離越近影響越大。

（3）吊桿組合斷裂對(duì)鄰近拱圈應(yīng)力的影響大于吊桿單獨(dú)斷裂，且影響范圍也比單獨(dú)斷裂大。

（4）吊桿的組合斷裂越靠近邊跨對(duì)拱圈應(yīng)力影響越小。吊桿的組合斷裂越靠近中跨處斷裂，對(duì)鄰近拱圈應(yīng)力

（下轉(zhuǎn)第36頁(yè)）

（上接第53頁(yè)）

影響越大。

3 結(jié)論

通過(guò)研究吊桿斷裂對(duì)拱形人行天橋主拱圈的撓度以及應(yīng)力的影響，得到以下結(jié)論：

（1）吊桿的單獨(dú)斷裂和組合斷裂對(duì)主拱圈撓度以及應(yīng)力的影響都是局部的，距離斷裂吊桿越近影響越大，距離越遠(yuǎn)影響越小。

（2）吊桿越靠近中跨斷裂對(duì)拱橋主拱圈的撓度以及應(yīng)力的影響越大。

參考文獻(xiàn)

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