斜拉橋的魯棒性研究★

王 曉 琴

(武漢科技大學城市學院，湖北 武漢 430083)

斜拉橋的魯棒性研究★

王 曉 琴

(武漢科技大學城市學院，湖北 武漢 430083)

結合工程實例，基于結構動力性能下承載力、位移、能量、靈敏度的魯棒性指標，分析了斜拉索的斷裂對整個斜拉橋結構的影響，得出了一些有意義的結論，為同類工程的研究奠定了基礎。

斜拉橋，魯棒性指標，結構，破壞

由于近年來，在我國發生了很多惡性的工程事故，這些事故很多都是橋梁的損壞，其中主要是以斜拉橋居多，而對于這些橋梁來說很多的損壞都是來自于斜拉索的斷裂，斜拉索的斷裂必然會導致整體結構的失效甚至連續倒塌，因此研究斜拉索的斷裂對于整個斜拉橋結構來說至關重要。對于工程結構的整體損壞我們可以從結構的魯棒性這一點來研究，結構的魯棒性的研究主要是從危險性、易損性、魯棒性這三個方面的指標來反映。雖然國際上對于魯棒性研究從很早就開始了，但是到目前為止仍沒有形成系統的設計方法和完整的理論分析體系。魯棒性，在土木工程中我們可以理解為在外界既定條件和偶然事件下，結構受到的影響對于它發揮性能維持正常工作的一種能力。斜拉橋的魯棒性研究，本文從基于承載能力、位移、結構靈敏度等幾種指標進行研究。

1 結構動力性能下承載力的魯棒性指標

結構的魯棒性和冗余性有著千絲萬縷的聯系，把結構損傷前后整體承載力變化的各種指標作為結構冗余性的評價在20世紀80年代就有人提出。

冗余度的指標有以下幾種表示方法：

第一種冗余度指標稱為儲備強度比：承載力與設計承載力的比值：

(1)

其中，Vu為完好體系結構的承載力；Vd為結構的設計承載力。

第二種冗余度指標“剩余和損傷”強度比DSR：損傷結構的承載力與設計承載力的比值：

(2)

其中，Vr為損傷結構的承載力；Vd為結構的設計承載力。

第三種冗余度指標稱為剩余影響系數RIF：損傷結構承載力與完好結構設計承載力的比值:

(3)

由圖1可以知道，儲備強度比與損傷強度比的比值就是剩余影響系數:

(4)

第四種強度冗余度系數比:

(5)

2 結構動力性能下位移的魯棒性指標

(6)

其中,So為結構處于完好狀態時的位移向量；Sd為結構處于損傷狀態的位移向量；||·||為歐式范數。

3 基于能量的魯棒性指標

(7)

其中，Eu為結構達到破壞極限狀態時耗散的能量；Ed為結構達到屈服狀態時的耗散能量。

4 基于靈敏度的魯棒性指標

(8)

(9)

其中,GRj為結構第j個損傷參數的廣義冗余度和標準化廣義冗余度；GNRj為結構第j個損傷參數的標準化廣義冗余度；Vi為第i個構件的體積；V為結構的總體積；Sij為第i個構件對第j個損傷參數的靈敏度；Ne為結構的構件總數。

5 工程實例

本文主要以武漢后湖大橋為例，研究斜拉索的斷裂對整個斜拉橋結構的影響，建立后湖大橋MIDAS模型，分析拉索的斷裂后基于結構動力性能下的魯棒性指標和結構動力性能下承載能力的魯棒性指標，斜拉橋的模型見圖2。

節點總共有230個，單元有155個，其中受拉單元34個，梁單元121個，主梁與橋塔采用三維彈性梁單元模擬，拉索編號是從Z1～Z34,從左邊起依次編號為Z33,Z31,Z29,Z27，…，Z5,Z3,Z1,Z2,Z4,Z6，…，Z28,Z30,Z32,Z34，分17種工況(如表1所示)。

表1 工況下對應的拉索

分析17種工況下斜拉索的動力性能承載能力指標DSR和位移魯棒性指標，結果如表2所示。

表2 承載能力DSR魯棒性指標和位移魯棒性指標

6 結語

結果表明：拉索斷裂時，越是靠近單側中間的拉索斷裂引起的拉索的索力變化值比較大。在長索和斷索靠近中索的位置處撓度變化最大，是最容易發生破壞的位置，要特別注意中間拉索的損壞。

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Research on robustness of cable-stayed bridge★

Wang Xiaoqin

(CityCollege,WuhanUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430083,China)

Combining with the engineering example, based on the robustness index of bearing capacity, displacement, energy, sensitivity under structure dynamic performance, this paper analyzed the influence of stay cables fracture to whole cable-stayed bridge structure, gained some meaningful conclusions, laid solid foundation to the research on similar engineering.

cable-stayed bridge, robustness index, structure, damage

2015-08-21★：湖北省教育廳科研(項目編號：2013230)

王曉琴(1978- )，女，博士，講師

1009-6825(2015)31-0155-03

U448.27

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