陈国胜(中铁十八局集团第二工程有限公司，河北唐山　063000)



拉索断裂对空间扭转索面斜拉桥主梁线形的影响研究

陈国胜
(中铁十八局集团第二工程有限公司，河北唐山063000)

摘要:以天津一空间扭转索面斜拉桥为工程背景，利用有限元软件Midas/Civil建立仿真模型，研究斜拉索单索、双索断裂对主梁线形的影响规律。研究结果表明，空间扭转索面斜拉桥与平面索面斜拉桥受拉索断裂的影响规律不同:在空间扭转索面斜拉桥中，桥跨中间部位拉索断裂对斜拉桥结构性能的影响较大;主梁线形变化峰值出现在断索锚固点附近，沿桥梁纵向向两侧递减;不同斜拉索断裂对主梁线形影响不同，双索断裂产生的影响比单索断裂大。斜拉桥若进行换索，建议考虑采用横向对称或原点对称方式换索。

关键词:斜拉桥扭转索面斜拉索断裂线形

斜拉桥结构受力合理，跨越能力强，美观，经济实用，在国内外桥梁领域占有重要地位。斜拉索作为斜拉桥重要组成构件，对斜拉桥的使用性能具有决定性作用。斜拉索布置在梁体外部，与空气直接接触，处于高应力状态，因此斜拉索老化、破损甚至断裂的可能性较大。

国内外出现斜拉索损伤断裂的案例较多:1979年委内瑞拉的Maracaibo Lake大桥拉索突发性断裂，造成桥体局部坍塌;1999年四川岷江大桥斜拉索PE护套破裂，拉索锈蚀，耗时两年更换全部拉索;2001年四川南门大桥拉索震动导致吊索断裂，致使桥梁主体断裂;2006—2015年，广州壶西大桥、南宁白沙大桥、天津永和大桥、广东西樵大桥、南昌八一大桥和重庆涪陵长江大桥由于锚头锈蚀严重、防护套破裂等病害，致使拉索损伤或断裂，被迫更换斜拉索。

随着国家经济快速发展，城市建设对于桥梁景观的要求越来越高，视觉效果良好、更具观赏性的空间扭转索面斜拉桥备受城市建设者推崇，但由于该类型斜拉桥受力复杂，研究相对较少。因此，进行空间扭转索面斜拉桥拉索断裂性能研究对于桥梁设计、施工以及监控具有重要意义。本文以天津一空间扭转索面斜拉桥为工程背景，进行斜拉索断裂研究。

1　工程概况

斜拉桥主桥结构为半漂浮结构体系，主桥采用两跨方式跨越河流，大桥立面见图1。该空间扭转索面斜拉桥共布置4×13根斜拉索。斜拉索由环氧钢丝组成，钢丝直径7 mm，标准强度1 670 MPa，采用热挤双层高密度聚乙烯防护套保护斜拉索。斜拉索分别锚固在主塔与主梁外侧腹板，每侧对应拉索编号为1～13，斜拉索位置见表1(由于结构为原点对称结构，所以仅提供1/4拉索数据)，斜拉索布置见图2，。

图1　大桥立面(单位:m)

表1　斜拉索位置　m

图2　斜拉索布置

2　有限元分析

通过有限元软件Midas/Civil建立全桥有限元模型，选取板单元模拟钢箱梁、梁单元模拟桥塔、桁架单元模拟斜拉索。该空间扭转索面斜拉桥模型有梁单元1 822个、桁架单元52个、板单元7 453个、实体单元124个、节点7 690个。

有限元模型在建立过程中考虑拉索拉力以及自重影响，将斜拉索弹性模量进行等效，通过Ernst公式计算斜拉索有效弹性模量Eeq，计算结果见表2。

表2　斜拉索有效弹性模量　×105MPa

式中:Eeq为拉索等效弹性模量，kPa;E为拉索材料的弹性模量，kPa;γ为斜拉索单位体积重力，kN/m3;lc为拉索水平投影长度，m;σ为拉索应力，kPa。

3　斜拉索断裂影响分析

根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)和《公路斜拉桥设计细则》(JTG/T D65-01—2007)计算斜拉桥主梁在正常使用极限状态下的挠度，主梁变形见图3。

由图3可知，主梁下挠最大值为201 mm，上挠最大值为7.4 mm，则计算挠度为208.4 mm，挠跨比小于设计规范要求的L/400(L为计算跨径)，满足规范要求。

图3　主梁变形(单位:mm)

3.1斜拉索单索断裂对主梁线形的影响

以S1，S6，S10和S13为例，单根拉索断裂主梁节点位移变化曲线见图4。图中负值表示主梁在拉索断裂后下挠，正值表示主梁在拉索断裂后上挠。

图4　单根拉索断裂主梁节点位移变化曲线

分析图4可知:

1)不同斜拉索断裂对主梁线形影响不同。中间斜拉索S6断裂对主梁线形影响最大，桥跨最外侧斜拉索S13断裂则影响最小。根据表1可知，斜拉索S13，S10，S6，S1的长度依次减小，由此可见，在空间扭转索面斜拉桥中，拉索断裂对主梁的影响与拉索长度没有必然联系;中间拉索断裂产生的影响比外侧拉索大，这与平面索面斜拉桥中长索对主梁线形影响大于短索的规律不同。

2)对比4种不同断索的影响，斜拉索S1，S6断裂对断索跨的影响较大，主梁线形变化峰值出现在断索锚固点附近，沿桥梁纵向向两侧递减;斜拉索S10断裂后线形变化峰值出现在非断索跨上，断索跨主梁部分上挠;斜拉索S13断裂左右两跨线形变化较小。

3)斜拉索S13断裂致使非断索跨主梁下挠，断索跨主梁上挠，挠度值变化(绝对值)基本相同;左右两跨线形整体变化不大;斜拉索S10断裂致使右跨主梁部分上挠，部分下挠，右跨主梁线形比左跨变化明显;斜拉索S1，S6断裂致使左跨下挠明显，引起右跨主梁上挠。

3.2斜拉索双索对称断裂对主梁线形的影响

斜拉索发生对称断裂时，按照3种情况进行分析:①横向对称断裂;②纵向对称断裂;③原点对称断裂。对称断裂组合见表3。

表3　对称断裂组合

由于桥梁结构具有对称性，当斜拉索发生横向对称断裂时，主梁线形也对称变化。以横向对称断裂为例，对主梁线形的影响见图5。

图5　横向对称断裂对主梁线形的影响

分析图5可知，当斜拉桥拉索发生横向对称断裂时，主梁较正常使用状态下挠;主梁线形变化峰值出现在断索锚固点附近，沿桥梁纵向向两侧递减;斜拉桥主梁线形变化趋势与相应单索断裂时线形变化规律基本一致，但斜拉索横向对称断裂对主梁线形的影响比单索断裂大，单索断裂引起主梁线形变化值约为横向对称断裂时的1/2，符合叠加原理。

分析在3种不同断索情况下，拉索断裂对主梁线形的影响，双索对称断裂组合见图6。

分析图6可知:

1)斜拉索发生横向对称断裂或原点对称断裂时，对主梁线形的影响趋势相同且影响均较小。

2)斜拉索发生纵向对称断裂时，对主梁线形的影响规律与相应单索断裂影响规律一致，但纵向对称断裂对主梁线形影响较大。

图6　双索对称断裂组合

3)双索断裂比单索对主梁线形的影响断裂大;与原点对称断裂和横向对称断裂相比，纵向对称断裂对线形影响最大。该类型斜拉桥若进行换索，建议采用横向对称或原点对称方式换索。

4　结论

通过空间扭转索面斜拉桥不同拉索断裂组合的有限元分析，得出斜拉索断裂对主梁线形的影响，结论如下:

1)不同斜拉索断裂对主梁线形影响不同;中间斜拉索对主梁线形影响最大，桥跨最外侧拉索断裂影响最小。空间扭转索面斜拉桥拉索断裂对主梁的影响与拉索所处位置有关，这与平面索面斜拉桥规律不同。

2)主梁线形变化峰值出现在断索锚固点附近，沿桥梁纵向向两侧递减;断索跨主梁线形变化明显。

3)纵向对称断裂对主梁线形影响最大，横向对称断裂和原点对称断裂的影响相对较小。空间扭转索面斜拉桥若进行换索，建议采用横向对称或原点对称方式换索。

参考文献

［1］林元培.斜拉桥［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［2］徐俊，陈惟珍.石门大桥拉索病害检测与分析［J］.钢结构，2007，22(6):81-84.

［3］罗刚林.犍为岷江大桥斜拉桥换索设计与施工［D］.成都:西南交通大学，2006.

［4］JANJIC D，PIRCHER M，PIRCHER H.Optimization of Cable Tensioning in Cable-Stayed Bridges［J］.Journal of Bridge Engineering，2014，8(3):131-137.

［5］于刚，孙利民.断索导致的斜拉桥结构易损性分析［J］.同济大学学报(自然科学版)，2010，38(3):323-328.

［6］汪永兰.拉索损伤对斜拉桥结构性能影响研究［D］.南京:东南大学，2004.

［7］倪云龙.芜湖长江大桥梁体挠度对斜拉索损伤的敏感性分析［D］.石家庄:石家庄铁道大学，2013.

［8］顾明，杜晓庆.模拟降雨条件下斜拉桥拉索风雨激振及控制的试验研究［J］.土木工程学报，2004，37(7):101-105.

［9］邱德锋，周艳，刘西拉.突发事故中结构易损性的研究［J］.四川建筑科学研究，2005，31(2):55-59.

［10］肖勇刚，邓舒文.大跨径钢桁梁斜拉桥主梁线形敏感性分析［J］.公路与汽运，2014(2):162-165.

［11］张鸿，翁方文，黄灿.基于敏感性分析与交通荷载控制法的斜拉桥拉索更换顺序研究［J］.中外公路，2015，35(1):187-190.

［12］中华人民共和国交通运输部.JTG D60—2015公路桥涵设计通用规范［S］.北京:人民交通出版社，2015.

［13］中华人民共和国交通运输部.JTG/T D65-01—2007公路斜拉桥设计细则［S］.北京:人民交通出版社，2007.

(责任审编郑冰)

Research on Influence of Cable Breaking on Line Shape of Cable-stayed Bridge with Spatial Torsion Cable Planes

CHEN Guosheng

(The 2nd Engineering Co.，Ltd.of the 18th Bureau Group of China Railway，Tangshan Hebei 063000，China)

Abstract:T aking the spatial torsion cable planes cable-stayed bridge of T ianjin as the engineering background，the simulation model was established by using the finite element software M idas/Civil to research on influence of single cable and double cables breaking on linear of main girder.Analysis results show that influence of cable breakage is different between spatial torsion cable planes cable-stayed bridge and cable planes cable-stayed bridge.T he middle cable breakage has more influence of cable-stayed bridge structure performance in spatial torsion cable planes cablestayed bridge.T he linear change of peak appeared at the vicinity of anchorage point，the displacement along the bridge longitudinal decreasing in both sides.Different cable breakage has different influence on linear and influence of double cable breakage is greater than single.Suggest that consider the way of transverse or origin symmetric in replacing cable.

Key words:Cable-stayed bridge;T orsion cable planes;Stay cables;Breakage and fracture;Linear

作者简介:陈国胜(1970—)，男，工程师。

基金项目:住房和城乡建设部科学技术项目(2015-K3-021);天津市自然科学基金(13JCYBJC196000)

收稿日期:2015-10-12;修回日期:2016-01-03

文章编号:1003-1995(2016)03-0017-04

中图分类号:TU311.41;U448.27

文献标识码:A

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.05