断索对大跨度非对称斜拉桥力学性能的影响

刘庭凯

(广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司，广东 广州 510507)

0 引言

斜拉桥作为大跨径桥梁的主要桥型已广泛应用于世界各国的桥梁工程，其第一受力体系由主塔(承压)、主梁(承弯)和斜拉索(受拉)构成，结构受力复杂。斜拉桥的跨度通常较大，因此桥梁主体结构承受的主要荷载并非活载，而是其自重，尤其是主梁。而斜拉索的主要作用是代替支墩的支承作用将桥面主梁的荷载传递至主塔，保证斜拉桥整体结构的受力平衡，变形合理。因此，保证斜拉索锚固可靠，正确传力，是斜拉桥安全运营的关键。然而，斜拉索属于柔性结构，且受力集中。在桥梁运营过程中，结构老化、疲劳以及车辆撞击、爆炸、火灾等因素均有可能导致拉索断裂失效[1]。斜拉桥是一种高次超静定结构，拉索断裂后其荷载转移，必然导致桥梁其他结构内力的重分布[2]。通常情况下，拉索断裂不会直接导致斜拉桥整体结构失稳或垮塌。然而，斜拉索的损坏隐蔽性极强，拉索断裂后，全桥结构的内力及变形均发生变化，偏离合理成桥运营状态[3]。桥梁结构整体性的损害极易引发结构的渐次崩溃，严重影响桥梁的安全性[4]。因此，斜拉桥断索的危害性仍需引起重视。大跨径非对称斜拉桥由于其主跨与次跨跨径不同，主塔两侧的结构变形及内力均不对称，受力状态较为复杂，断索工况下很可能产生附加变形和内力，不同断索位置导致的结构内力及变形的变化也必然有很大的差别[5]。

本文以某座大跨径非对称斜拉桥为工程背景，利用Midas/Civil有限元仿真软件建立了全桥分析模型，对比了桥梁未发生断索工况以及不同断索位置工况下斜拉桥的索力变化、主梁及主塔的变形，得到了断索位置对非对称斜拉桥力学性能的影响规律，为该类桥梁的设计及维护提供了参考。

1 工程背景

本文以一座在建斜拉桥为依托，该桥主桥为全长340 m的独塔非对称双索面钢箱梁斜拉桥，跨径布置为190 m+150 m，如图1所示。主塔为钢筋混凝土桥塔，造型采用“宝石”型结构形式，塔高116 m，桥面以上塔柱高87 m，由上塔柱、中塔柱、下塔柱及上、中、下横梁组成。主梁采用正交异性桥面板体系，全长339.4 m，共包括9种类型，划分为25个梁段，桥面总宽34.2 m，中心线处总高3 m，设置双向六车道。斜拉索采用空间双索面体系，扇形布置，全桥共设置44根(主、次跨段各11对)拉索，根据索力不同共采用5种规格，其中最大索长(含锚具)为186.891 m，单根最大重量(含锚具和护套)为14.101 t，次跨压重区拉索间距为6 m，其他位置拉索间距均为15 m，主跨段从梁端到塔区拉索编号依次为M11～M1，次跨段从塔区到梁端拉索编号依次为S1～S11[6-7]。

2 有限元建模

本文基于空间有限元软件Midas/Civil建立该斜拉桥全桥模型，全桥共划分为272个单元，包括228个梁单元(主梁和主塔)和44个只受拉桁架单元(拉索)，如图2所示。其中，主塔采用C50混凝土，主要力学性能按JTG 3362—2018公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[8]取值；主梁采用Q345qD钢材，技术指标按GB/T 714—2008桥梁用结构钢中相关规定取值；拉索抗拉强度等级为1 670 MPa，弹性模量取1.97×105MPa，热膨胀系数为1.2×10-5/℃，计算时考虑垂度效应、索端转角等非线性因素。主塔塔底和主桥边墩采用固结形式，桩-土相互作用以柔度矩阵的形式等代考虑；由于主梁为半漂浮形式，主梁与主塔下横梁及边墩之间设置弹性支座；拉索与主塔连接处共节点，与主梁连接处采用刚性连接。由于本文考虑的是成桥运营阶段断索情况，根据JTG D60—2004公路桥涵设计通用规范[9]，荷载组合为恒载+活载(车辆正常通行)+断索工况。其中，汽车活载采用城-A级车道荷载，计算时考虑车道荷载的纵、横向折减系数。

3 断索工况分析

3.1 拉索索力变化

斜拉桥成桥运营阶段拉索断裂后，其承载能力变为0，必然在结构受力体系中产生连锁效应，从而导致其他拉索索力重新分配，很可能造成部分拉索的索力大幅变化。而拉索索力的突增和突减均可能对斜拉桥结构的安全性和稳定性产生不利影响[10]。本文计算了斜拉桥在不同位置拉索断裂工况下各个拉索的索力值并与正常成桥运营状态下拉索的索力值(如表1所示)进行了对比，得到拉索索力在各个断索工况下变化的最大值，如图3所示。需要注意的是本文依托工程为双索面斜拉桥，考虑到多根拉索同时断裂的概率较低，本文仅对单侧单根拉索断裂失效的工况进行了研究[11]。

表1 正常成桥运营状态下拉索索力值

由图3(a)可知，拉索断裂后，断索面索力突增最大值远大于无断索面，单根拉索断裂失效对无断索面的拉索影响较小，而断索面拉索的索力突增最大值可达到1 000 kN，这将严重降低拉索的安全储备。断索面索力突增最大值随断索位置变化曲线呈驼峰型，即断索位置在跨中时，断索面索力突增最大值较大，而断索位置靠近边墩或主塔时，断索面索力突增最大值较小。这与正常成桥运营状态下拉索索力值分布规律相似，说明拉索索力越大，断裂时导致的索力突增情况越严重。由图3(b)可知，拉索断裂会导致拉索出现不同程度的松弛现象，断索面的松弛现象较无断索面更严重，拉索索力突降最大值可达350 kN。且两者随断索位置变化的规律相似，即断索位置在主、次跨跨中时索力突降最大值较小，而断索位置靠近主梁支座时，索力突降最大值增大，这与索力突增最大值随断索位置的变化规律相反，说明拉索断裂后，其他拉索受力集中现象更明显了。

3.2 主梁挠度变化

拉索索力的变化导致主梁的受力平衡状态发生改变，而且在断索区域内主梁的无索区变长，可能导致主梁挠度增大。因此，需要对断索工况中主梁的挠度变形进行分析和研究。由不同断索位置下拉索索力变化可知，断索情况发生在支座及跨中位置时索力变化较大，因此，本文选取这些断索工况下主梁挠度的变化值进行分析，如图4所示(图中编号为断索编号)。

由计算结果可知，当主跨中间段拉索(M6)断裂失效时主梁挠度变化值最大，为43 mm。从图4可得，当断索位置位于跨中时，断索侧主梁挠度变化较大，其中断索区域主梁挠度增加值最大，而无断索侧主梁的挠度变化很小；当断索位置位于边墩附近时，主梁挠度变化值次之，但主梁挠度变化最大处并非断索区域，而是跨中区域，且断索侧与无断索侧主梁挠度变化方向相反；当断索位置位于主塔附近时，断索区域主梁挠度变化最大，断索侧与无断索侧主梁挠度变化方向也相反，但变化值均较小，最大变化值为11 mm。

3.3 塔顶偏移变化

斜拉桥主塔是承压结构，主塔偏移量过大会产生较大的偏心力矩，可能导致主塔因内力过大而发生开裂现象，影响结构安全和正常使用。而斜拉索直接锚固于桥塔上部，拉索断裂必然导致主塔的受力发生改变，从而引发塔顶偏移的变化，因此，塔顶偏移同样需要关注。不同拉索断裂前后塔顶偏移量如图5所示，其中塔顶偏往次跨侧时偏移量为正。由图5可知，拉索S11发生断裂失效时，主塔塔顶偏移量最大，为39 mm，远大于正常情况下主塔塔顶偏移量(7 mm)。当远离主塔区域的拉索断裂时，塔顶偏移量较大，当断索位置靠近主塔时，塔顶偏移量陡降，主塔区域内拉索发生断裂时，主塔的偏移量甚至低于无断索工况，说明长索断裂对塔顶偏移的影响远高于短索断裂。

4 结论

本文利用有限元软件对大跨径非对称斜拉桥在成桥运营阶段拉索断裂工况进行了研究，分析了不同位置拉索断裂对拉索索力、主梁挠度及主塔塔顶偏移量的影响，得到了以下结论：

1)拉索断裂会导致严重的索力突增和索力松弛现象，但两者随断索位置的变化规律不同。拉索索力越大，其断裂时导致的索力突增值越大，而断索位置靠近支座时，松弛现象更严重。

2)拉索断裂会导致主梁挠度发生较大变化，且断索位置不同时，主梁挠度变化规律不同。其中，断索发生在跨中时，断索区域内主梁挠度变化最大。

3)主塔塔顶偏移量受长索断裂影响较大，严重时可达正常情况的数倍，而短索发生断裂导致的塔顶偏移量变化几乎为零。