拉索损伤条件下斜拉悬索管桥应变分析

王　成（贵州省毕节市公路处，贵州　毕节　551700）



拉索损伤条件下斜拉悬索管桥应变分析

王成（贵州省毕节市公路处，贵州毕节551700）

大跨度桥梁结构安全监测系统是对桥梁服役期间的运营环境和结构健康状况进行监测的一种完整的在线监测系统。通过对桥梁结构状态的实时监测与数据分析、及时捕捉桥梁在实际交通负荷与自然蜕化条件下的异常特征信息并发出预警信号，为桥梁维护、维修与管理决策提供依据和指导。本文以长江跨越斜拉悬索混合天然气管桥为工程背景，利用已有的有限元模型，对管桥拉索损伤时应变进行了分析，从而为该管桥的长期监测提供分析数据和理论依据。

斜拉悬索管桥；结构健康监测；ANSYS；拉索损伤；应变变化；规律

1　前言

拉索损伤条件下斜拉悬索管桥应变分析有三方面的目的和意义：①监控与评估：通过对桥梁结构状态的监控与评估，为大桥在特殊气候，交通条件下或桥梁运营状况严重异常时触发预警信号，为桥梁维护、维修与管理决策提供依据和指导，使其及时关闭桥梁保障国家财产和人民生命安全。②设计验证：桥梁在建造前一般只是在实验室进行风洞试验和振动台试验，桥梁的力学性能和结构特性以及所处的特定环境，在大桥设计阶段完全掌握和预测结构的力学性能和力学行为是非常困难的［4］，通过对桥梁的健康监测获取实测数据可以验证桥梁的设计是否合理以及为桥梁设计者修改模型提供现实依据，更为重要的是可以实时地监测桥梁的施工质量。③研究发展：尽管现在的桥梁研究者已经将桥梁的环境因素纳入了研究范围，他们非常重视桥梁的抗风、抗震等的研究，但是大跨度桥梁，特别是大跨度斜拉、悬索桥其结构和环境中未知或不确定性问题还很多，因此我们可以通过健康监测获取一些海量数据来分析这些因素，从而可以使结构设计方法与相应的规范标准等得以改进。

2　大跨度斜拉悬索混合管桥有限元模型介绍

依据实际结构建立该管桥完整的空间有限元模型中主次管道及其他小型钢管采用PIPE16单元模拟，桥塔中角钢，槽钢及其桥面扁钢采用BEAM188单元模拟，主索及斜拉索采用LINK10单元进行模拟。其中管桥的全景图如图1所示。

图1　管桥正视图（上）和俯视图（下）

在此为便于编号，将管桥以主跨的跨中为界分为南北两半桥，每半桥又以桥塔为界分为边跨、主跨。

3　单索损伤时应变变化的分析

斜拉索是斜拉悬索混合管桥的主要承力构件，本文所研究的斜拉悬索混合管桥的载荷绝大部分通过斜拉索传递到桥塔上，任一根斜拉索丧失承载力，都有可能导致斜拉桥的整体失稳和破坏，斜拉索具有极低的阻尼，在风等外部激励下很容易发生振动。各种因素引起的拉索振动会导致拉索破坏，严重危及了管桥的使用寿命和使用质量，另外在复杂的自然环境中拉索的腐蚀所造成的内部损伤也会降低管桥的承载力，因此斜拉索的安全性必须予以高度的重视，对拉索的损伤研究具有极其重要的现实意义。

单索损伤时应变的变化规律：

在研究桥索应变的变化规律时，用斜拉索弹性模量的折减来模拟损伤。

利用大型结构分析软件ANSYS计算出当单索损伤10%时的管桥应变，并将结果列表对比处理，由于篇幅有限，表格在本文中不予列出。为了便于观察规律，运用Origin工程数学软件将表格中的数据通过图形表达出来，总共作出39幅图。然后通过图形找出管桥应变的变化规律。

3.1边跨桥索应变变化规律（见图2）

（1）边跨1～4号索单损时，左右两根索所连接的吊梁有较大的应变增加，对其他索基本无影响。

（2）边跨5～9号索单损时，左右两根索所连接的吊梁有较大的应变增加 （所对应上或下游桥索所连接的吊梁应变有较小减少），左右第二根索所连接的吊梁有较小应变增加（所对应上或下游桥索所连接的吊梁应变有较小减少），11，13号索所连接的吊梁（上下游）均有较小应变增加。

（3）边跨10～12号索单损时，左右两根索所连接的吊梁有较小的应变增加 （所对应上或下游桥索所连接的吊梁应变有少许减少），整个半桥均受影响，主跨13号索所连接的吊梁应变增加明显。

（4）边跨13索单损时，12号，10号索所连接的吊梁（上下游）应变均较大增加，主跨13号及另一边跨13号索所连接的吊梁应变有较小增加。其他的均有少许变化。

3.2主跨桥索应变变化规律（见图3）

根据图3，得出如下规律：

（1）主跨1号索单损时，所对应的上游（或下游）1号索所连接的吊梁应变有较大增加，2号索（损伤索旁边）有较小应变增加。

（2）主跨2～4号索单损时，左右两根索所连接的吊梁应变有较小增加，左右第二根索有少许增加。

（3）主跨5～12号索单损时，左右两根索所连接的吊梁应变有较小增加，左右第二根索有少许增加，所对应的上游（或下游）桥索所连接的吊梁均有少许应变减少；所在半桥的边跨应变均有微小增加。

（4）主跨13号索单损时，全桥均有影响，桥中央几根索所连接的吊梁及桥两边的索变化最大。

3.3整体变化规律（见图4）

根据图4，得出如下规律：

（1）损伤拉索所连接的吊梁应变减小非常大，数值上远大于其他索的吊梁应变变化。

（2）上游桥索单损时的应变变化与所对应的下游桥索单损时的应变变化相同；上游（或下游）桥索单损时，一般对应的下游（或上游）桥索应变减少，13号索例外，13索是固定在岸上的索。

（3）南半桥桥索单损时的应变变化与所对应的北半桥桥索单损时的应变变化相同。

图2　北半桥边跨上游1～13号拉索损伤10%应变变化图

（4）靠近桥塔的拉索（1～4号）单损所引起的管桥应变变化范围小，且数值小；远离桥塔的拉索损伤引起的桥索应变变化范围较大，且数值较大。13号索损伤时，基本所有的拉索均受影响，且出现应变变化最大值。

图3　北半桥主跨上游1～13号拉索损伤10%应变变化图

图4　南半桥边跨上游1～13号拉索损伤10%应变变化图

［1］李兆霞，李爱群，陈鸿天，等.大跨度桥梁结构以健康监测和状态评估为目标的有限元模拟［J］.东南大学学报，2003，33（5）：563～572.

［2］邢绍红，王红亚.桥梁健康监测研究发展现状［J］.市政与路桥，2007 （1）：133.

［3］魏保立，苏晓慧.桥梁结构健康监测研究现状分析［J］.北方交通，2008（1）：122～125.

［4］周 强，杨文兵，杨新华.斜拉桥索力调整在ANSYS中的实现［J］.华中科技大学学报，2005（5）：81～83.

［5］李兆霞.损伤力学及其应用［M］.北京：科学出版社，2002：14～16.

［6］关庆港.大跨斜拉悬索混合管桥拉索健康状况监测与分析研究.南京：东南大学，2006.

王成（1986-），男，工程师，本科，主要从事公路工作。

U446

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2095-2066（2016）19-0204-03

2016-6-1