空間網狀吊桿系桿拱橋吊桿斷裂對結構的力學性能分析

鄒蘭林, 胡言書

(武漢科技大學 汽車與交通工程學院,湖北 武漢 430065)

0 引言

近些年來,網狀吊桿鋼箱系桿拱橋逐漸在中國發展,因其結構簡單、拱梁的彎矩小、振動性能好、豎向的剛度大,而且造價較低,外形優美,所以不論在城市還是郊區都得到廣泛的應用。網狀吊桿系桿拱橋的力學行為受關鍵結構的影響比較大,而吊桿是其中的主要受力構件,相比尼爾森拱[1]來說,它增加了吊桿的數量,使得結構受力特性更加合理。

吊桿作為空間網狀吊桿系桿拱橋[2-3]的關鍵受力結構,建設和運營過程會受到各種荷載的反復作用,其使用壽命遠低于其他拱橋構件。根據國內拱橋吊桿斷裂情況統計,吊桿的破斷壽命為3～16 a,極少能超過20 a,這只有橋梁設計壽命的1/10左右,因此在橋梁運營期間,吊桿需要多次維修替換[4]。但是在維修替換之前,由于各種不確定因素的影響可能發生吊桿驟然斷裂的情況。吊桿的斷裂對于網狀系桿拱橋的整體結構會產生非常不利的影響,一方面,吊桿的斷裂會導致主梁與主拱的內力增大,直接影響到主梁和主拱的線形和穩定性;另一方面,吊桿的斷裂會導致吊桿的內力出現重分布的狀態,對拱橋的整體結構安全產生不好的影響,直接影響橋梁的正常使用,嚴重時甚至會發生橋梁坍塌的事故。近些年來,由于吊桿斷裂引起的系桿拱橋坍塌事故屢見不鮮。例如,新疆的孔雀河大橋坍塌主要是因為主跨的第2根吊桿斷裂,使得主跨第3、4、5道矮T梁掉入河中,導致路面坍塌,阻斷了公路運輸;四川攀枝花金沙江大橋由于一根吊桿突然掉落,導致橋面出現了塌陷,使得全橋出現嚴重的安全隱患。

導致吊桿斷裂的原因[5]有很多,如車輛對吊桿的撞擊、爆炸、火災、銹蝕等,拱橋吊桿遭受沖擊時,可能在短時間內發生斷裂,斷裂吊桿的承載力可能會逐漸喪失,也可能會在瞬間喪失。針對這些由吊桿斷裂或失效引起的原因,國內外學者[6-9]展開了不同程度的研究:分析了單根吊桿破斷和不同位置的雙根吊桿破斷對大跨度鋼管混凝土系桿拱橋使用階段靜力性能的影響,拱肋脫空對大跨度鋼管混凝土系桿拱橋使用階段靜力性能的影響;分析了單根吊桿破斷、不同位置的雙根吊桿破斷和拱肋脫空對大跨度鋼管混凝土系桿拱橋穩定性的影響;進行了吊桿斷裂過程的拱橋動力分析等。

由此可見,吊桿的完好狀態對系桿拱橋的安全使用性能至關重要。以一實際系桿拱橋為背景,建立有限元模型,通過斷裂不同位置單根、雙根吊桿,分析典型吊桿斷裂后對其余吊桿內力重分布規律以及對主梁和主拱的內力和線形的影響。

圖1 橋梁總體布置圖(單位:m)

1 工程概況

以某寬幅空間網狀吊桿鋼箱系桿拱橋為工程實例,該橋的結構形式為拱梁組合體系,這種體系下將拱和梁的受力特點充分發揮,在降低成本的同時又能使得結構的承載力得到提高。其總體布置見圖1。

圖2 橋梁橫斷面圖(單位:m)

寬幅空間網狀吊桿鋼箱系桿拱橋全長為190.3 m,計算跨徑為188 m,矢跨比為1∶6,橋面寬為47.5 m,雙向6車道,設計荷載為公路-Ⅰ級,設計車速為120 km/h,主拱圈和主梁均采用鋼結構;橋面板為鋼筋混凝土板;具體的橋面布置為3.0 m(人行道)+5.0 m(非機動車道)+3.5 m(綠化帶)+12.0 m(車行道)+0.5 m(中護欄)+12.0 m(車行道)+3.5 m(綠化帶)+5.0 m(非機動車道)+3.0 m(人行道),其橫斷面如圖2所示。

圖3 有限元模型標準視圖

2 有限元模型

通過有限元軟件Midas建立全橋模型,全橋共1 504個節點,2 320個單元,其中桁架單元56個,主拱單元212個,橋面板單元804個,該網狀系桿拱橋的計算模型見圖3。吊桿單元采用桁架單元模擬,其他結構采用梁單元模擬,主梁與吊桿之間的連接方式為剛性連接。此外,在模擬過程中的計算荷載取值如下:①恒載。恒載為主梁、主拱等結構的自重;二期的恒載為人行道板、護欄等。②活載?；钶d為公路-Ⅰ級荷載。③風荷載?；鶞曙L速取30 m/s。④基礎沉降。各支座考慮5 mm的沉降。⑤溫度荷載。整體升溫均為20 ℃;日照溫度梯度按照公路橋涵設計通用規范(JTG D60—2015)作為標準來取值。

吊桿編號如圖4所示(從橋梁左側到橋梁右側依次編號為N1、N2、…、N28)。

圖5 等效荷載卸載法

3 吊桿斷裂對結構的力學性能影響分析

3.1 吊桿斷裂的分析方法

等效荷載卸載法[8]即是移除模擬斷裂的吊桿,然后在移除吊桿的兩端加上一對與吊桿內力大小相等方向相反的拉力,等結構穩定時將施加的拉力減小為0,如圖5所示。為了更好地捕獲該寬幅空間網狀系桿拱橋吊桿斷裂后的結構狀態,采用了直接刪除失效吊桿的方法,刪除失效吊桿以后,吊桿的內力會進行重分布,直接影響到主梁、主拱等其他拱橋結構上。針對不同吊桿斷裂情形采用等效荷載卸載的方法對寬幅空間網狀系桿拱橋結構靜力影響展開詳細分析。

該寬幅空間網狀系桿拱橋為對稱分布,試驗過程中選取一側吊桿作為試驗對象,以此擬定了14種工況,采用剛性吊桿法確定成橋狀態下的柔性吊桿張拉力后,模擬邊跨、1/4跨和跨中單根或2根吊桿突然斷裂的情況,分析橋梁的內力和變形情況?，F選擇N1、N2、N7、N8(1/4跨)、N14、N15(跨中)吊桿作單根吊桿斷裂分析;選擇N1+N2、N1+N28、N2+N27(邊跨)、N7+N22、N8+N21、N7+N8(1/4跨和3/4跨)、N14+N15(跨中)吊桿作2根吊桿斷裂分析?；钶d采用公路-Ⅰ級標準,恒載為自重、二期荷載和修正吊桿力之和,采用恒載+活載的荷載組合進行分析。

3.2 吊桿內力分析

單根吊桿斷裂對同側吊桿內力的影響見表1,2根吊桿斷裂對同側吊桿內力的影響見表2。

表1 單根吊桿斷裂同側吊桿內力變化

表2 2根吊桿斷裂同側吊桿內力變化

從表1可以看出,單根吊桿斷裂時,斷裂吊桿位置附近吊桿內力變化值最大,如當N15吊桿斷裂后,同側相鄰的N13吊桿內力變化值最大,增幅為47%;N2吊桿斷裂后,同側相鄰的N4吊桿變化值最大,增幅為67%?？梢钥闯?單根吊桿斷裂后相鄰吊桿的內力增幅在25.2%～67.2%之間,相鄰3根吊桿之外的吊桿內力變化幅值不超過13.8%,且拱腳位置的N2吊桿發生斷裂時,相鄰的N4吊桿內力增大至1 345 kN,為相鄰吊桿斷裂的最不利狀態。

從表2可知,2根吊桿斷裂時,拱腳處的N1和N2吊桿同時斷裂為相鄰吊桿內力的最不利狀態,相鄰的吊桿N4的內力增大到1 577 kN,增幅為96.1%;其余位置2根吊桿斷裂其相鄰吊桿內力變化幅值為29.9%～96.1%間,相鄰3根吊桿之外的內力增幅不超過20%。由此可知,單根吊桿或2根吊桿斷裂不會破壞網狀系桿拱橋的整體結構,吊桿斷裂后其余吊桿的內力值小于設計值,不會發生吊桿斷裂的連鎖反應,但2根吊桿斷裂相較于單根吊桿斷裂吊桿內力值變化明顯,在更換吊桿的過程中應增設臨時吊桿。

3.3 主拱與主梁內力分析

單根吊桿斷裂對主梁內力值的影響見圖6;單根吊桿斷裂對主拱內力值的影響見圖7,其中斷裂后的內力值為負,取其絕對值。

圖6 單根吊桿斷裂時主梁內力值

圖7 單根吊桿斷裂時主拱內力值

從圖6可以看出,單根吊桿斷裂時,吊桿N7斷裂導致主梁最大內力變化值最大,為4 240.1 kN,比完好時增加了109%;N1吊桿或N2吊桿斷裂后,主梁最大內力值增大30%左右,其他吊桿斷裂時,在其斷裂吊桿附近的吊桿內力值均未達到完好狀態下吊桿的最大內力值(9 467.9 kN)。

從圖7可以看出,單根吊桿斷裂時,主拱內力變化最大的是N2吊桿斷裂,由1 911.8 kN變化為6 316.3 kN,變化值為4 404.5 kN,比完好時增加了230.4%,其余吊桿內力變化值相較于完好時變化幅值在200%以內?？傮w來說,吊桿斷裂后的內力值未超過完好時主拱最大內力值(8 191.4 kN)。

2根吊桿斷裂對主梁和主拱的內力影響見表3和表4,其中工況1～工況7分別表示N1+N2斷裂、N7+N8斷裂、N14+N15斷裂、N1+N28斷裂、N2+N27斷裂、N7+N22斷裂、N8+N21斷裂,主梁完好狀態下的最大內力值為9 467.9 kN。

表3 2根吊桿斷裂后主梁內力值 kN

表4 2根吊桿斷裂后主拱內力值 kN

從表3可以看出,2根吊桿斷裂時,N14+N15吊桿斷裂,其斷裂位置主梁彎矩值變化最大,比完好時分別增加了315.0%和284.9%,N15吊桿附近主梁的最大內力值增加到10 030.0 kN;N1+N2吊桿斷裂對主梁的內力影響最大,其中N2吊桿斷裂后其附近主梁最大內力值達到了11 889.0 kN,比完好時的最大值增加了2 421.1 kN。其他位置2根吊桿斷裂時,斷裂位置附近主梁彎矩顯著增加,但均不大于完好時的最大彎矩值(9 467.9 kN)。

從表4可以看出,2根吊桿斷裂時,主拱內力值變化最大的位置在兩側拱腳處吊桿斷裂,其中N2+N1吊桿斷裂時,N2吊桿斷裂位置附近主拱內力值最大,為-9 138.0 kN,比完好時增加了11 049.8 kN。

可以看出,單根吊桿斷裂時,對主梁和主拱的影響不大,斷裂位置的最大內力值小于全橋完好時的最大內力值,所以單根吊桿斷裂不會影響橋梁的正常使用;2根吊桿斷裂時,主梁和主拱的內力值明顯增大,可以認為是單根吊桿斷裂的疊加作用,故在吊桿架設和后期更換吊桿時要采取架設臨時吊桿的措施,預防吊桿斷裂引起其他吊桿斷裂的連鎖反應。

3.4 主拱與主梁線形分析

單根吊桿斷裂時主拱位移變化見圖8,2根吊桿斷裂時主拱位移變化見圖9。

圖8 單根吊桿斷裂時主拱位移變化

圖9 2根吊桿斷裂時主拱位移變化

從圖8可知,單根吊桿斷裂時,N1吊桿斷裂對于主拱的線形影響最小,其撓度變化值為+0.336 mm,比完好時減少了0.7%;N15吊桿斷裂對于主拱的線形影響最大,撓度變化的峰值為4.320 mm,比完好狀態下減少了4.02%?？梢钥闯?各個工況下吊桿斷裂后,在斷裂位置出現了撓度變化的峰值,而且峰值隨著吊桿斷裂位置往跨中位置(橫坐標為0 m)的靠近不斷增大,單根吊桿斷裂對主拱的影響呈先增加再減小的態勢。

靠近拱腳處的N1吊桿對于主拱的線形影響程度不大,總體撓度變化不超過0.4 mm,距離N1吊桿位置越遠,其斷裂對于橋梁的影響程度越小。N15吊桿對于主拱的影響范圍最廣,整個主拱圈的線形均有影響。

從圖9可以看出,當同側對稱位置(N1+N28、N2+N27、N7+N22、N8+N21、N14+N15)2根吊桿發生斷裂時,橋梁主拱線形的影響整體呈對稱的方式分布。在對稱位置吊桿斷裂中,靠近拱腳處的N1+N28吊桿斷裂時,對主拱的線形影響最小,為0.48 mm,比完好時減少了0.4%。2根吊桿發生斷裂時,對主拱的線形影響最大的為N7+N22和N8+N21吊桿斷裂,在主拱的跨中位置附近出現了位移變化的峰值,為3.18 mm,比完好時減少了2.65%。同側相鄰位置吊桿N1+N2斷裂時,在其斷裂位置都出現了位移減小的峰值,離吊桿斷裂位置越遠,其對主拱的影響越有限,對另一拱腳處的影響可忽略不計;當相鄰N7+N8吊桿斷裂時,在-40 m(1/4跨)處達到位移變化的峰值,其值為2.16 mm,且隨著距離向兩端偏移,影響逐漸減小。

單根吊桿斷裂時主梁位移變化見圖10,2根吊桿斷裂時主梁位移變化見圖11。

圖10 單根吊桿斷裂時主梁位移變化

圖11 2根吊桿斷裂時主梁位移變化

從圖10可知,單根吊桿斷裂時,拱腳處的N1吊桿斷裂對于主梁的線形影響程度最小,撓度的最大變化值為-1.22 mm,比完好狀態下增加了1.2%;跨中位置吊桿(N15)斷裂對主梁的線形影響最大,撓度的變化值為-4.01 mm,比完好狀態下增加了4.3%?？梢钥闯?單根吊桿斷裂時,主梁的撓度變化值受斷裂吊桿位置的影響,距離斷裂吊桿位置越近,撓度的變化值越大,并且每根吊桿斷裂位置附近都出現撓度變化的峰值,隨著斷裂位置往跨中位置的偏移,主梁的撓度變化值逐漸增大,在跨中位置達到了最大。

從圖11可知,2根吊桿斷裂時,跨中位置的N14 +N15吊桿斷裂時,主梁的位移變化值最大,其撓度峰值為-8.42 mm,比完好時增加了8.2%;對稱位置的N1+N28吊桿斷裂時的撓度變化值最小,其最大撓度為-1.96 mm,相較于完好時增加了1.94%。故2根吊桿斷裂時,各吊桿斷裂工況與吊桿完好狀態下相比,撓度變化值不超過10%,且從圖11中可以看出,相鄰2根吊桿斷裂比對稱位置2根吊桿斷裂對主梁的影響大。

總的來說,不論是單根吊桿斷裂還是2根吊桿斷裂,隨著吊桿斷裂位置往跨中位置的偏移,主梁的撓度峰值在不斷增大,其對橋梁線形的影響越來越廣。

4 結論

通過對寬幅空間網狀系桿拱橋吊桿斷裂后對結構的力學性能分析,可以得到以下結論:

(1)吊桿斷裂會導致同側相鄰的吊桿內力重分布,斷裂吊桿位置附近受到的影響最大,距離斷裂位置越遠,受到的影響越小,因此,在更換吊桿時要注意架設臨時吊桿,防止吊桿發生連鎖斷裂。

(2)2根吊桿斷裂相較于單根吊桿斷裂來說,拱腳位置和跨中位置的主梁位移最大從-1.22 mm增加到8.42 mm,主梁內力增大到10 030.0 kN,故在后期養護的過程中要注重對這些位置吊桿進行檢查。

(3)2根吊桿斷裂相較于單根吊桿斷裂對于橋梁結構的影響大,主梁和主拱在跨中位置受吊桿斷裂影響比較嚴重,隨著吊桿斷裂位置往橋梁兩側的偏移,其對主梁與主拱的線形變化在逐漸減小,直至兩側拱腳處受吊桿斷裂影響最小。

(4)在施工過程中,要盡量避免在橋面堆積過重的重物,防止因為架設過程中吊桿受力過大發生坍塌事故。