空间网状吊杆系杆拱桥吊杆断裂对结构的力学性能分析

邹兰林, 胡言书

(武汉科技大学 汽车与交通工程学院,湖北 武汉 430065)

0 引言

近些年来,网状吊杆钢箱系杆拱桥逐渐在中国发展,因其结构简单、拱梁的弯矩小、振动性能好、竖向的刚度大,而且造价较低,外形优美,所以不论在城市还是郊区都得到广泛的应用。网状吊杆系杆拱桥的力学行为受关键结构的影响比较大,而吊杆是其中的主要受力构件,相比尼尔森拱[1]来说,它增加了吊杆的数量,使得结构受力特性更加合理。

吊杆作为空间网状吊杆系杆拱桥[2-3]的关键受力结构,建设和运营过程会受到各种荷载的反复作用,其使用寿命远低于其他拱桥构件。根据国内拱桥吊杆断裂情况统计,吊杆的破断寿命为3～16 a,极少能超过20 a,这只有桥梁设计寿命的1/10左右,因此在桥梁运营期间,吊杆需要多次维修替换[4]。但是在维修替换之前,由于各种不确定因素的影响可能发生吊杆骤然断裂的情况。吊杆的断裂对于网状系杆拱桥的整体结构会产生非常不利的影响,一方面,吊杆的断裂会导致主梁与主拱的内力增大,直接影响到主梁和主拱的线形和稳定性;另一方面,吊杆的断裂会导致吊杆的内力出现重分布的状态,对拱桥的整体结构安全产生不好的影响,直接影响桥梁的正常使用,严重时甚至会发生桥梁坍塌的事故。近些年来,由于吊杆断裂引起的系杆拱桥坍塌事故屡见不鲜。例如,新疆的孔雀河大桥坍塌主要是因为主跨的第2根吊杆断裂,使得主跨第3、4、5道矮T梁掉入河中,导致路面坍塌,阻断了公路运输;四川攀枝花金沙江大桥由于一根吊杆突然掉落,导致桥面出现了塌陷,使得全桥出现严重的安全隐患。

导致吊杆断裂的原因[5]有很多,如车辆对吊杆的撞击、爆炸、火灾、锈蚀等,拱桥吊杆遭受冲击时,可能在短时间内发生断裂,断裂吊杆的承载力可能会逐渐丧失,也可能会在瞬间丧失。针对这些由吊杆断裂或失效引起的原因,国内外学者[6-9]展开了不同程度的研究:分析了单根吊杆破断和不同位置的双根吊杆破断对大跨度钢管混凝土系杆拱桥使用阶段静力性能的影响,拱肋脱空对大跨度钢管混凝土系杆拱桥使用阶段静力性能的影响;分析了单根吊杆破断、不同位置的双根吊杆破断和拱肋脱空对大跨度钢管混凝土系杆拱桥稳定性的影响;进行了吊杆断裂过程的拱桥动力分析等。

由此可见,吊杆的完好状态对系杆拱桥的安全使用性能至关重要。以一实际系杆拱桥为背景,建立有限元模型,通过断裂不同位置单根、双根吊杆,分析典型吊杆断裂后对其余吊杆内力重分布规律以及对主梁和主拱的内力和线形的影响。

图1 桥梁总体布置图(单位:m)

1 工程概况

以某宽幅空间网状吊杆钢箱系杆拱桥为工程实例,该桥的结构形式为拱梁组合体系,这种体系下将拱和梁的受力特点充分发挥,在降低成本的同时又能使得结构的承载力得到提高。其总体布置见图1。

图2 桥梁横断面图(单位:m)

宽幅空间网状吊杆钢箱系杆拱桥全长为190.3 m,计算跨径为188 m,矢跨比为1∶6,桥面宽为47.5 m,双向6车道,设计荷载为公路-Ⅰ级,设计车速为120 km/h,主拱圈和主梁均采用钢结构;桥面板为钢筋混凝土板;具体的桥面布置为3.0 m(人行道)+5.0 m(非机动车道)+3.5 m(绿化带)+12.0 m(车行道)+0.5 m(中护栏)+12.0 m(车行道)+3.5 m(绿化带)+5.0 m(非机动车道)+3.0 m(人行道),其横断面如图2所示。

图3 有限元模型标准视图

2 有限元模型

通过有限元软件Midas建立全桥模型,全桥共1 504个节点,2 320个单元,其中桁架单元56个,主拱单元212个,桥面板单元804个,该网状系杆拱桥的计算模型见图3。吊杆单元采用桁架单元模拟,其他结构采用梁单元模拟,主梁与吊杆之间的连接方式为刚性连接。此外,在模拟过程中的计算荷载取值如下:①恒载。恒载为主梁、主拱等结构的自重;二期的恒载为人行道板、护栏等。②活载。活载为公路-Ⅰ级荷载。③风荷载。基准风速取30 m/s。④基础沉降。各支座考虑5 mm的沉降。⑤温度荷载。整体升温均为20 ℃;日照温度梯度按照公路桥涵设计通用规范(JTG D60—2015)作为标准来取值。

吊杆编号如图4所示(从桥梁左侧到桥梁右侧依次编号为N1、N2、…、N28)。

图5 等效荷载卸载法

3 吊杆断裂对结构的力学性能影响分析

3.1 吊杆断裂的分析方法

等效荷载卸载法[8]即是移除模拟断裂的吊杆,然后在移除吊杆的两端加上一对与吊杆内力大小相等方向相反的拉力,等结构稳定时将施加的拉力减小为0,如图5所示。为了更好地捕获该宽幅空间网状系杆拱桥吊杆断裂后的结构状态,采用了直接删除失效吊杆的方法,删除失效吊杆以后,吊杆的内力会进行重分布,直接影响到主梁、主拱等其他拱桥结构上。针对不同吊杆断裂情形采用等效荷载卸载的方法对宽幅空间网状系杆拱桥结构静力影响展开详细分析。

该宽幅空间网状系杆拱桥为对称分布,试验过程中选取一侧吊杆作为试验对象,以此拟定了14种工况,采用刚性吊杆法确定成桥状态下的柔性吊杆张拉力后,模拟边跨、1/4跨和跨中单根或2根吊杆突然断裂的情况,分析桥梁的内力和变形情况。现选择N1、N2、N7、N8(1/4跨)、N14、N15(跨中)吊杆作单根吊杆断裂分析;选择N1+N2、N1+N28、N2+N27(边跨)、N7+N22、N8+N21、N7+N8(1/4跨和3/4跨)、N14+N15(跨中)吊杆作2根吊杆断裂分析。活载采用公路-Ⅰ级标准,恒载为自重、二期荷载和修正吊杆力之和,采用恒载+活载的荷载组合进行分析。

3.2 吊杆内力分析

单根吊杆断裂对同侧吊杆内力的影响见表1,2根吊杆断裂对同侧吊杆内力的影响见表2。

表1 单根吊杆断裂同侧吊杆内力变化

表2 2根吊杆断裂同侧吊杆内力变化

从表1可以看出,单根吊杆断裂时,断裂吊杆位置附近吊杆内力变化值最大,如当N15吊杆断裂后,同侧相邻的N13吊杆内力变化值最大,增幅为47%;N2吊杆断裂后,同侧相邻的N4吊杆变化值最大,增幅为67%。可以看出,单根吊杆断裂后相邻吊杆的内力增幅在25.2%～67.2%之间,相邻3根吊杆之外的吊杆内力变化幅值不超过13.8%,且拱脚位置的N2吊杆发生断裂时,相邻的N4吊杆内力增大至1 345 kN,为相邻吊杆断裂的最不利状态。

从表2可知,2根吊杆断裂时,拱脚处的N1和N2吊杆同时断裂为相邻吊杆内力的最不利状态,相邻的吊杆N4的内力增大到1 577 kN,增幅为96.1%;其余位置2根吊杆断裂其相邻吊杆内力变化幅值为29.9%～96.1%间,相邻3根吊杆之外的内力增幅不超过20%。由此可知,单根吊杆或2根吊杆断裂不会破坏网状系杆拱桥的整体结构,吊杆断裂后其余吊杆的内力值小于设计值,不会发生吊杆断裂的连锁反应,但2根吊杆断裂相较于单根吊杆断裂吊杆内力值变化明显,在更换吊杆的过程中应增设临时吊杆。

3.3 主拱与主梁内力分析

单根吊杆断裂对主梁内力值的影响见图6;单根吊杆断裂对主拱内力值的影响见图7,其中断裂后的内力值为负,取其绝对值。

图6 单根吊杆断裂时主梁内力值

图7 单根吊杆断裂时主拱内力值

从图6可以看出,单根吊杆断裂时,吊杆N7断裂导致主梁最大内力变化值最大,为4 240.1 kN,比完好时增加了109%;N1吊杆或N2吊杆断裂后,主梁最大内力值增大30%左右,其他吊杆断裂时,在其断裂吊杆附近的吊杆内力值均未达到完好状态下吊杆的最大内力值(9 467.9 kN)。

从图7可以看出,单根吊杆断裂时,主拱内力变化最大的是N2吊杆断裂,由1 911.8 kN变化为6 316.3 kN,变化值为4 404.5 kN,比完好时增加了230.4%,其余吊杆内力变化值相较于完好时变化幅值在200%以内。总体来说,吊杆断裂后的内力值未超过完好时主拱最大内力值(8 191.4 kN)。

2根吊杆断裂对主梁和主拱的内力影响见表3和表4,其中工况1～工况7分别表示N1+N2断裂、N7+N8断裂、N14+N15断裂、N1+N28断裂、N2+N27断裂、N7+N22断裂、N8+N21断裂,主梁完好状态下的最大内力值为9 467.9 kN。

表3 2根吊杆断裂后主梁内力值 kN

表4 2根吊杆断裂后主拱内力值 kN

从表3可以看出,2根吊杆断裂时,N14+N15吊杆断裂,其断裂位置主梁弯矩值变化最大,比完好时分别增加了315.0%和284.9%,N15吊杆附近主梁的最大内力值增加到10 030.0 kN;N1+N2吊杆断裂对主梁的内力影响最大,其中N2吊杆断裂后其附近主梁最大内力值达到了11 889.0 kN,比完好时的最大值增加了2 421.1 kN。其他位置2根吊杆断裂时,断裂位置附近主梁弯矩显著增加,但均不大于完好时的最大弯矩值(9 467.9 kN)。

从表4可以看出,2根吊杆断裂时,主拱内力值变化最大的位置在两侧拱脚处吊杆断裂,其中N2+N1吊杆断裂时,N2吊杆断裂位置附近主拱内力值最大,为-9 138.0 kN,比完好时增加了11 049.8 kN。

可以看出,单根吊杆断裂时,对主梁和主拱的影响不大,断裂位置的最大内力值小于全桥完好时的最大内力值,所以单根吊杆断裂不会影响桥梁的正常使用;2根吊杆断裂时,主梁和主拱的内力值明显增大,可以认为是单根吊杆断裂的叠加作用,故在吊杆架设和后期更换吊杆时要采取架设临时吊杆的措施,预防吊杆断裂引起其他吊杆断裂的连锁反应。

3.4 主拱与主梁线形分析

单根吊杆断裂时主拱位移变化见图8,2根吊杆断裂时主拱位移变化见图9。

图8 单根吊杆断裂时主拱位移变化

图9 2根吊杆断裂时主拱位移变化

从图8可知,单根吊杆断裂时,N1吊杆断裂对于主拱的线形影响最小,其挠度变化值为+0.336 mm,比完好时减少了0.7%;N15吊杆断裂对于主拱的线形影响最大,挠度变化的峰值为4.320 mm,比完好状态下减少了4.02%。可以看出,各个工况下吊杆断裂后,在断裂位置出现了挠度变化的峰值,而且峰值随着吊杆断裂位置往跨中位置(横坐标为0 m)的靠近不断增大,单根吊杆断裂对主拱的影响呈先增加再减小的态势。

靠近拱脚处的N1吊杆对于主拱的线形影响程度不大,总体挠度变化不超过0.4 mm,距离N1吊杆位置越远,其断裂对于桥梁的影响程度越小。N15吊杆对于主拱的影响范围最广,整个主拱圈的线形均有影响。

从图9可以看出,当同侧对称位置(N1+N28、N2+N27、N7+N22、N8+N21、N14+N15)2根吊杆发生断裂时,桥梁主拱线形的影响整体呈对称的方式分布。在对称位置吊杆断裂中,靠近拱脚处的N1+N28吊杆断裂时,对主拱的线形影响最小,为0.48 mm,比完好时减少了0.4%。2根吊杆发生断裂时,对主拱的线形影响最大的为N7+N22和N8+N21吊杆断裂,在主拱的跨中位置附近出现了位移变化的峰值,为3.18 mm,比完好时减少了2.65%。同侧相邻位置吊杆N1+N2断裂时,在其断裂位置都出现了位移减小的峰值,离吊杆断裂位置越远,其对主拱的影响越有限,对另一拱脚处的影响可忽略不计;当相邻N7+N8吊杆断裂时,在-40 m(1/4跨)处达到位移变化的峰值,其值为2.16 mm,且随着距离向两端偏移,影响逐渐减小。

单根吊杆断裂时主梁位移变化见图10,2根吊杆断裂时主梁位移变化见图11。

图10 单根吊杆断裂时主梁位移变化

图11 2根吊杆断裂时主梁位移变化

从图10可知,单根吊杆断裂时,拱脚处的N1吊杆断裂对于主梁的线形影响程度最小,挠度的最大变化值为-1.22 mm,比完好状态下增加了1.2%;跨中位置吊杆(N15)断裂对主梁的线形影响最大,挠度的变化值为-4.01 mm,比完好状态下增加了4.3%。可以看出,单根吊杆断裂时,主梁的挠度变化值受断裂吊杆位置的影响,距离断裂吊杆位置越近,挠度的变化值越大,并且每根吊杆断裂位置附近都出现挠度变化的峰值,随着断裂位置往跨中位置的偏移,主梁的挠度变化值逐渐增大,在跨中位置达到了最大。

从图11可知,2根吊杆断裂时,跨中位置的N14 +N15吊杆断裂时,主梁的位移变化值最大,其挠度峰值为-8.42 mm,比完好时增加了8.2%;对称位置的N1+N28吊杆断裂时的挠度变化值最小,其最大挠度为-1.96 mm,相较于完好时增加了1.94%。故2根吊杆断裂时,各吊杆断裂工况与吊杆完好状态下相比,挠度变化值不超过10%,且从图11中可以看出,相邻2根吊杆断裂比对称位置2根吊杆断裂对主梁的影响大。

总的来说,不论是单根吊杆断裂还是2根吊杆断裂,随着吊杆断裂位置往跨中位置的偏移,主梁的挠度峰值在不断增大,其对桥梁线形的影响越来越广。

4 结论

通过对宽幅空间网状系杆拱桥吊杆断裂后对结构的力学性能分析,可以得到以下结论:

(1)吊杆断裂会导致同侧相邻的吊杆内力重分布,断裂吊杆位置附近受到的影响最大,距离断裂位置越远,受到的影响越小,因此,在更换吊杆时要注意架设临时吊杆,防止吊杆发生连锁断裂。

(2)2根吊杆断裂相较于单根吊杆断裂来说,拱脚位置和跨中位置的主梁位移最大从-1.22 mm增加到8.42 mm,主梁内力增大到10 030.0 kN,故在后期养护的过程中要注重对这些位置吊杆进行检查。

(3)2根吊杆断裂相较于单根吊杆断裂对于桥梁结构的影响大,主梁和主拱在跨中位置受吊杆断裂影响比较严重,随着吊杆断裂位置往桥梁两侧的偏移,其对主梁与主拱的线形变化在逐渐减小,直至两侧拱脚处受吊杆断裂影响最小。

(4)在施工过程中,要尽量避免在桥面堆积过重的重物,防止因为架设过程中吊杆受力过大发生坍塌事故。