拉索損傷條件下斜拉懸索管橋應變分析

王　成（貴州省畢節市公路處，貴州　畢節　551700）

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拉索損傷條件下斜拉懸索管橋應變分析

王成（貴州省畢節市公路處，貴州畢節551700）

大跨度橋梁結構安全監測系統是對橋梁服役期間的運營環境和結構健康狀況進行監測的一種完整的在線監測系統。通過對橋梁結構狀態的實時監測與數據分析、及時捕捉橋梁在實際交通負荷與自然蛻化條件下的異常特征信息并發出預警信號，為橋梁維護、維修與管理決策提供依據和指導。本文以長江跨越斜拉懸索混合天然氣管橋為工程背景，利用已有的有限元模型，對管橋拉索損傷時應變進行了分析，從而為該管橋的長期監測提供分析數據和理論依據。

斜拉懸索管橋；結構健康監測；ANSYS；拉索損傷；應變變化；規律

1　前言

拉索損傷條件下斜拉懸索管橋應變分析有三方面的目的和意義：①監控與評估：通過對橋梁結構狀態的監控與評估，為大橋在特殊氣候，交通條件下或橋梁運營狀況嚴重異常時觸發預警信號，為橋梁維護、維修與管理決策提供依據和指導，使其及時關閉橋梁保障國家財產和人民生命安全。②設計驗證：橋梁在建造前一般只是在實驗室進行風洞試驗和振動臺試驗，橋梁的力學性能和結構特性以及所處的特定環境，在大橋設計階段完全掌握和預測結構的力學性能和力學行為是非常困難的［4］，通過對橋梁的健康監測獲取實測數據可以驗證橋梁的設計是否合理以及為橋梁設計者修改模型提供現實依據，更為重要的是可以實時地監測橋梁的施工質量。③研究發展：盡管現在的橋梁研究者已經將橋梁的環境因素納入了研究范圍，他們非常重視橋梁的抗風、抗震等的研究，但是大跨度橋梁，特別是大跨度斜拉、懸索橋其結構和環境中未知或不確定性問題還很多，因此我們可以通過健康監測獲取一些海量數據來分析這些因素，從而可以使結構設計方法與相應的規范標準等得以改進。

2　大跨度斜拉懸索混合管橋有限元模型介紹

依據實際結構建立該管橋完整的空間有限元模型中主次管道及其他小型鋼管采用PIPE16單元模擬，橋塔中角鋼，槽鋼及其橋面扁鋼采用BEAM188單元模擬，主索及斜拉索采用LINK10單元進行模擬。其中管橋的全景圖如圖1所示。

圖1　管橋正視圖（上）和俯視圖（下）

在此為便于編號，將管橋以主跨的跨中為界分為南北兩半橋，每半橋又以橋塔為界分為邊跨、主跨。

3　單索損傷時應變變化的分析

斜拉索是斜拉懸索混合管橋的主要承力構件，本文所研究的斜拉懸索混合管橋的載荷絕大部分通過斜拉索傳遞到橋塔上，任一根斜拉索喪失承載力，都有可能導致斜拉橋的整體失穩和破壞，斜拉索具有極低的阻尼，在風等外部激勵下很容易發生振動。各種因素引起的拉索振動會導致拉索破壞，嚴重危及了管橋的使用壽命和使用質量，另外在復雜的自然環境中拉索的腐蝕所造成的內部損傷也會降低管橋的承載力，因此斜拉索的安全性必須予以高度的重視，對拉索的損傷研究具有極其重要的現實意義。

單索損傷時應變的變化規律：

在研究橋索應變的變化規律時，用斜拉索彈性模量的折減來模擬損傷。

利用大型結構分析軟件ANSYS計算出當單索損傷10%時的管橋應變，并將結果列表對比處理，由于篇幅有限，表格在本文中不予列出。為了便于觀察規律，運用Origin工程數學軟件將表格中的數據通過圖形表達出來，總共作出39幅圖。然后通過圖形找出管橋應變的變化規律。

3.1邊跨橋索應變變化規律（見圖2）

（1）邊跨1～4號索單損時，左右兩根索所連接的吊梁有較大的應變增加，對其他索基本無影響。

（2）邊跨5～9號索單損時，左右兩根索所連接的吊梁有較大的應變增加 （所對應上或下游橋索所連接的吊梁應變有較小減少），左右第二根索所連接的吊梁有較小應變增加（所對應上或下游橋索所連接的吊梁應變有較小減少），11，13號索所連接的吊梁（上下游）均有較小應變增加。

（3）邊跨10～12號索單損時，左右兩根索所連接的吊梁有較小的應變增加 （所對應上或下游橋索所連接的吊梁應變有少許減少），整個半橋均受影響，主跨13號索所連接的吊梁應變增加明顯。

（4）邊跨13索單損時，12號，10號索所連接的吊梁（上下游）應變均較大增加，主跨13號及另一邊跨13號索所連接的吊梁應變有較小增加。其他的均有少許變化。

3.2主跨橋索應變變化規律（見圖3）

根據圖3，得出如下規律：

（1）主跨1號索單損時，所對應的上游（或下游）1號索所連接的吊梁應變有較大增加，2號索（損傷索旁邊）有較小應變增加。

（2）主跨2～4號索單損時，左右兩根索所連接的吊梁應變有較小增加，左右第二根索有少許增加。

（3）主跨5～12號索單損時，左右兩根索所連接的吊梁應變有較小增加，左右第二根索有少許增加，所對應的上游（或下游）橋索所連接的吊梁均有少許應變減少；所在半橋的邊跨應變均有微小增加。

（4）主跨13號索單損時，全橋均有影響，橋中央幾根索所連接的吊梁及橋兩邊的索變化最大。

3.3整體變化規律（見圖4）

根據圖4，得出如下規律：

（1）損傷拉索所連接的吊梁應變減小非常大，數值上遠大于其他索的吊梁應變變化。

（2）上游橋索單損時的應變變化與所對應的下游橋索單損時的應變變化相同；上游（或下游）橋索單損時，一般對應的下游（或上游）橋索應變減少，13號索例外，13索是固定在岸上的索。

（3）南半橋橋索單損時的應變變化與所對應的北半橋橋索單損時的應變變化相同。

圖2　北半橋邊跨上游1～13號拉索損傷10%應變變化圖

（4）靠近橋塔的拉索（1～4號）單損所引起的管橋應變變化范圍小，且數值小；遠離橋塔的拉索損傷引起的橋索應變變化范圍較大，且數值較大。13號索損傷時，基本所有的拉索均受影響，且出現應變變化最大值。

圖3　北半橋主跨上游1～13號拉索損傷10%應變變化圖

圖4　南半橋邊跨上游1～13號拉索損傷10%應變變化圖

［1］李兆霞，李愛群，陳鴻天，等.大跨度橋梁結構以健康監測和狀態評估為目標的有限元模擬［J］.東南大學學報，2003，33（5）：563～572.

［2］邢紹紅，王紅亞.橋梁健康監測研究發展現狀［J］.市政與路橋，2007 （1）：133.

［3］魏保立，蘇曉慧.橋梁結構健康監測研究現狀分析［J］.北方交通，2008（1）：122～125.

［4］周 強，楊文兵，楊新華.斜拉橋索力調整在ANSYS中的實現［J］.華中科技大學學報，2005（5）：81～83.

［5］李兆霞.損傷力學及其應用［M］.北京：科學出版社，2002：14～16.

［6］關慶港.大跨斜拉懸索混合管橋拉索健康狀況監測與分析研究.南京：東南大學，2006.

王成（1986-），男，工程師，本科，主要從事公路工作。

U446

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2095-2066（2016）19-0204-03

2016-6-1