人行懸索橋突然斷索動力效應研究

李萌 郭強 李浩然 賈雨欣 李春清 羅振宇

摘要：針對大跨人行懸索橋的突然斷索動力響應問題采用有限元手段（ANSYS）進行分析，以某山區人行懸索橋為工程背景，構建了大跨人行懸索橋的有限元模型，分析了不同斷索位置工況下懸索橋的動力響應。結果表明：吊索斷裂后會使懸索橋結構其它吊索索力發生重分布，距離斷索位置最近的吊索軸力變化最大，離斷索位置越遠的吊索受到的動力響應越小。不同位置斷索時，主纜張力變化較為接近，索塔頂部位移變化較為接近，斷索位置距索塔越遠，則索塔底部支反力有增大趨勢，且增大量較小。

Abstract： The finite element method （ANSYS） is applied to the analysis of the sudden cable breaking dynamic response of long-span pedestrian suspension bridge. The finite element model of the long-span pedestrian suspension bridge is constructed with a mountainous pedestrian suspension bridge as the engineering background. The dynamic response of the suspension bridge under different broken cable locations are analyzed. The results show that after the sling breaks， the cable tension of other slings in the suspension bridge structure will be redistributed. The axial force of the sling closest to the location of the sling is the largest， and the sling that is farther from the sling position is less responsive. When the cable is disconnected at different positions， the tension of the main cable is relatively close， and the displacement of the top of the tower is relatively close. The farther the cable is from the tower， the greater the reaction force at the bottom of the tower is， and the increase is smaller.

關鍵詞：懸索橋;精細化模型;斷索;動力響應

Key words： suspension bridge;refined model;broken cable;dynamic response

中圖分類號：U448.25? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）29-0181-02

0? 引言

大跨度的斜拉橋、懸索橋需要使用主纜、拉索和吊索結構。早期修建的懸索橋由于設計和建造技術不成熟，投入運行過程中的養護維修不到位，大多面臨吊索和主纜嚴重銹蝕問題。吊索在嚴重銹蝕高強度張力工作狀態下，極易降低其平均使用壽命[1]。嚴重銹蝕的吊索突然斷裂，會引起整個橋梁結構發生劇烈的抖動，嚴重危害橋梁的正常運行[2]。

江陰長江大橋是國內第一座跨徑大于1000m的大跨度懸索橋，相關單位于2009年對其全部吊索進行更換[3]。汕頭海灣大橋建成時間較早，由于該橋吊索銹蝕嚴重，2012年更換了部分嚴重銹蝕吊索，并于2015年對全部吊索進行更換[4]。

國內外許多學者針對吊索斷裂對橋梁安全性的影響進行了研究。Ruiz-Teran等研究了拉索突然斷裂對橋梁的動力響應情況，發現斷索響應的分析必須基于動力分析方法[5]。沈銳利等研究了單根吊索斷裂對其余吊索的影響程度，結果表明單根吊索斷裂對其余吊索的動力響應較為顯著[6]。

國內大多數懸索橋吊索采用平行鍍鋅鋼絲。已建懸索橋運營情況表明，作為生命線工程的懸索橋正在經受著銹蝕帶來的吊索斷裂挑戰。為此，本文研究斷索對懸索橋結構影響。

1? 工程背景及有限元模型

1.1 工程概況

本文以某工程中山區人行懸索橋為研究對象。該橋全長185.4m，橋跨布置采用（15.5+150+15.5）m，主橋為跨度150m地錨式單跨雙鉸懸索橋，成橋狀態下，主纜跨中最低點與索鞍處最高點間距10m，主纜失跨比為1/15，全橋共73根吊桿，吊桿間距2.0m，引橋為彎橋，橫斷面為單箱多室小箱梁，沿道路中心線直線段長度為3.7m，圓弧段長度為11.75m。

1.2 有限元模型建立

本文采用有限元分析軟件ANSYS進行懸索橋建模。根據實際工程特點，其中縱梁、橫梁、橋塔等結構采用空間兩單元BEAM4模擬，主纜、吊索、抗風纜、抗風拉鎖采用空間桿單元LINK10模擬，欄桿、索夾等采用節點質量單元MASS21模擬，橋面板采用殼單元SHELL63模擬。

2? 斷索算例分析

為了研究人行懸索橋的吊索對懸索橋安全性影響的程度，本文對不同位置吊索斷索后懸索橋結構的動力效應進行了分析。分析過程中，主纜與吊索采用張力進行分析，索塔頂部采用位移進行分析，索塔底部采用支反力進行分析。

2.1 吊索的動力效應分析

端部吊索斷裂后，相鄰吊索軸力響應如圖1所示。

由圖1可知，吊索斷裂后會使懸索橋結構其它吊索索力發生重分布，距離斷索位置最近的3527號吊索軸力變化最大，離斷索位置越遠的吊索受到的影響越小。

2.2 主纜的動力效應分析

研究斷端部吊索、1/4處吊索和1/2處吊索時主纜張力的動力響應，具體圖2所示。

由圖2可知，斷端部吊索、1/4處吊索和1/2處吊索時，主纜張力變化較為接近，穩定后的張力值也基本一致。由此可知，不同位置吊索斷裂對主纜的動力影響較小。

2.3 索塔的動力效應分析

研究斷端部吊索、1/4處吊索和1/2處吊索時索塔頂部位移的動力響應，具體如圖3所示。

由圖3可知，斷端部吊索、1/4處吊索和1/2處吊索時，塔頂位移變化較為接近，穩定后的張力值也基本一致。由此可知，不同位置吊索斷裂對塔頂位移影響較小。

研究斷端部吊索、1/4處吊索和1/2處吊索時索塔底部支反力的動力響應，具體如圖4所示。

由圖4可知，斷端部吊索、1/4處吊索和1/2處吊索時，塔底支反力變化較為接近。由此可知，斷索位置距索塔越遠，則索塔底部支反力有增大趨勢，且增大量較小。

3? 結論

以某山區人行懸索橋為工程實例，利用ANSYS實現不同吊索斷裂工況下對大橋的動力效應分析。具體結論如下：

①吊索斷裂后會使懸索橋結構其它吊索索力發生重分布，距離斷索位置最近的吊索軸力變化最大，離斷索位置越遠的吊索受到的影響越小。

②不同位置斷索時，吊索斷裂對主纜的張力影響較小。

③不同位置吊索斷裂對塔頂位移影響較小，且斷索位置距索塔越遠，則索塔底部支反力有增大趨勢，且增大量較小。

參考文獻：

[1]石偉，華劍平，鄭國坤，王瀚德，雷歡.拱橋吊桿加固體系的應用探討[J].預應力技術，2014（05）：3-6，18.

[2]王力力，易偉建.斜拉索的腐蝕案例與分析[J].中南公路工程，2007（01）：93-98.

[3]孫洪濱.江陰大橋吊索典型病害及更換工藝[J].科技創新與應用，2014（31）：70-71.

[4]王江鴻，王修山，陽春龍.汕頭海灣大橋試驗吊索更換工程施工和監控[J].公路與汽運，2015（06）：172-177.

[5]Ruiz-Teran A M，Aparicio A C. Response of under-deck cable-stayed bridges to the accidental breakage of stay cables[J]. Engineering Structures， 2009， 31（7）：1425-1434.

[6]沈銳利，房凱，官快.單根吊索斷裂時自錨式懸索橋強健性分析[J].橋梁建設，2014，44（06）：35-39.

[7]李浩然，黃偉，金旭光.地錨式人行懸索橋靜動力特性研究[J].價值工程，2019，38（09）：130-132.