不同位置的拉索損傷對斜拉橋力學性能的影響研究

韋修箭，潘自強

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430052)

經過幾十年的發展，斜拉橋以其結構體系受力合理，跨越能力大，以及良好的經濟性及適用性，得到世界各國橋梁結構設計師的廣泛認可。同時斜拉橋的數量也在不斷的增加，一般斜拉橋主要包含有三個部分，即主梁、斜拉索、索塔，其中斜拉索作為主梁與索塔之間連接的重要組成部分，其能否合理的傳力是決定斜拉橋自身安全的重要因素。近年來，隨著斜拉橋使用年限的增加，斜拉索腐蝕損傷已經逐漸成為影響斜拉橋安全承載的重要因素，同時研究斜拉索腐蝕損傷對斜拉橋體系結構安全的影響規律也逐漸成為一個重要的課題，對斜拉索后期維護檢測具有一定的工程應用價值。目前國內外對于斜拉索損傷的影響研究還不夠深入，主要包含以下幾方面的內容，國外Yanaka Y,Kitagawa M等人分析研究了對斜拉索的數量對斜拉橋特性的影響規律。并且采用剛度矩陣法對拉索數量以及邊跨比對斜拉索索力的影響程度進行了研究分析，結果表明，斜拉索的數量不算增加，對提升結構的承載能力沒有明顯的效果。

西南交通大學熊濤，通過從結構力學以及斜拉橋病害資料兩個方面出發進行了研究分析，通過選取典型的拉索研究了斜拉索損傷對斜拉橋全橋結構的影響，主要將損傷的斜拉索作為斷裂的拉索這種極端情況進行考慮。

國內外學者均表明:斜拉索腐蝕可以改變拉索的彈性模量，同時是拉索局部位置出現凹坑，最終導致拉索局部區域產生應力集中，最終致使拉索承載能力的降低。但是目前關于斜拉索正常使用期間，拉索的管理維護以及損傷評估等方面的內容還沒有形成統一的標準，因此需要進一步進行研究。

綜上所述，以上研究均從只從單一的方面如環境、應力等局部研究，分析研究拉索的腐蝕損傷病害特點及成因，歸納總結拉索腐蝕機理；研究不同程度腐蝕損傷的拉索對橋梁結構的影響；為斜拉橋的設計、結構健康監測的研究、斜拉橋日常管理、維護等工作提供參考和指導；為斜拉橋結構的安全性、耐久性提供有利保障，延長使用壽命具有重大意義。

1 橋梁概況

閱江大橋位于廣東省肇慶市，項目線位起點位于北岸端州區古塔路與星湖大道交叉路口，沿古塔路跨越西江，在南岸高要烏榕村與世紀大道（S272）銜接。主線全長3.837km，該橋第十一聯為 （160+320+160）m斜拉橋，主梁采用C60砼，單箱五室類三角形截面，梁高3.7m，頂板寬33.5m，底板寬12m，兩側懸臂長4.5m，頂面設雙向2%的橫坡。標準索距梁段每6m 設置一道橫梁，中室橫梁厚0.6m，邊室橫梁厚0.4m。壓重段橫梁厚均為0.7m。

斜拉索采用低應力雙層HDPE防護平行熱鍍鋅拉索，鋼絲采用Ф7mm低松弛鍍鋅鋼絲，其標準強度бb=1670MPa。斜拉索上端錨固于塔柱上，下端錨固于主梁中間兩腹板之間，兩索面橫向間距2.2m，全橋共192根索。每塔24對索，均在梁上張拉。

主塔為鋼-混組合塔，上塔柱為等截面鋼塔，塔柱橫橋向寬度4.0m，縱橋向寬度3.6m，塔間系梁均為鋼系梁。下塔柱為鋼筋混凝土結構，混凝土強度等級為C60，塔柱截面橫橋向寬4.0m，縱橋向為變截面，塔柱底部尺寸為9m×3.7m，布置形式如圖1所示。

圖1 主橋測試控制截面示意圖（單位:cm）

1.1 斜拉索的護套刮痕

斜拉索PE護套存在不同程度的刮痕、刮損等病害，主要原因為斜拉索在運輸及掛設安裝過程中受硬物摩擦、碰撞所致，PE護套刮痕破壞形式如圖2所示。

圖2 PE護套刮痕

斜拉索處于自然環境中，經常受到日曬、雨淋，拉索施工時對PE護套造成的刮痕和刮傷，隨著使用時間的增長，原有的病害會隨著加劇。由于對損傷部分現場修補能力有限，使得拉索耐久性降低，護套破損會使得拉索裸露在大氣中容易被雨水侵蝕。這些損傷會對斜拉索的使用壽命及受力性能產生較嚴重影響。

1.2 護套內部鋼絲腐蝕

當斜拉索護套破損后，內部鋼絲將會暴露在空氣當中，直接與外部環境直接接觸，在周圍空氣以及水分的影響下，鋼絲將有可能發生腐蝕，同時腐蝕程度不斷增大，在高應力狀態下將會發生斷裂。其腐蝕形式如圖3所示。

圖3 護套內部鋼絲腐蝕

2 拉索損傷對結構靜力性能的影響

2.1 拉索的損傷后的彈性模量

為了研究拉索損傷后對應的彈性模量，采用材料連續度φ來表征材料的損傷程度，當材料的連續度為φ時對應的材料的損傷率ψ如式（1）所示。

上式中，ψ表示材料的腐蝕率，對于金屬材料而言，材料的損傷程度主要體現在材料有效受力面積的變化，假定金屬材料的初始受力面積為A，當材料損傷后對應的有效受力面積為A1，則對應的材料損傷率也可以用下式進行表示。

結合式（1）以及（2）可以看出，當材料連續度φ=1時，此時腐蝕率ψ=0，表示材料沒有損傷；當材料的連續度φ=0時，此時腐蝕率ψ=1，表示材料的完全損傷，有效的受力面積為0。

根據彈性材料的應力應變的本構關系如式（3）所示。

當金屬材料發生一定的腐蝕時，由于有效受力面積的減小，導致腐蝕區域的應力增大，如式（4）所示。

從而得到金屬材料腐蝕前后對應的應力之間的關系如式（5）所示。

式中，σ1——表示結構中的有效應力；

σ——表示材料的名義應力；

ψ——表示材料的損傷率。

根據應變等效原理，假定材料在等效應力狀態下，材料損傷前后所產生的應變相同，在此基礎上可以推導出材料受損時所對應的應力應變本構關系。

拉索在無損狀態下的應變為ε=σ/E，采用有效應力代替名義應力，可得到下式。

由此可知，斜拉索損傷后對斜拉索的彈性模量會產生一定的影響，將斜拉索損傷后的材料作為一種復合材料，根據復合材料的復合規律，可以推導得到拉索損傷后的彈性模量，如式

上式中，E1為斜拉索損傷后的等效彈性模量，E為斜拉索未損傷部分材料對應的彈性模量，Ev為斜拉索損傷部分材料對應的彈性模量，ψ為材料的損傷率。

根據等效彈性模量的概念，Ernst首先提出了斜拉橋拉索的彈性模量計算公式如式（7）所示。

上式中，E為索的彈性模量；A為索的截面面積；W為索單位長度的重量；l為索兩端點水平距離；T為索的拉力。

將式（7）代入式（8）中可推導得到損傷后斜拉橋拉索的等效彈性模量。

因此，損傷變量可以由材料的彈性模量進行表示。

3 拉索損傷對斜拉橋力學性能的影響

為了研究不同位置的拉索損傷后彈性模量變化對斜拉橋力學性能的影響，結合本工程實例采用ANSYS軟件進行模擬分析，橋梁結構的計算模型如圖4所示。

圖4 橋梁結構計算模型（拉索編號從左到右編號為1-29,30-58,59-87,88-116）

同時選取6種不同的工況進行分析，每種工況下按照拉索按照損傷程度的30%進行損傷工況的組合，具體的工況組合形式見表1。

表1 損傷工況組合表

3.1 拉索損傷對主梁位移變化的影響

同時，其邊跨長索至中跨長索的主梁節點編號主要分布于60～180節點之間。

通過對各種工況下，單根拉索損傷前后主梁位移變化的對比分析，可以得到各個位置處主梁拉索的損傷對主梁豎向位移變化的影響，如圖5所示。

圖5 單根拉索損傷主梁位移變化圖

在圖5中，正值表示拉索損傷后節點的位移增大，負值表示對應節點的位移減小。

根據上述分析可以看出，邊跨位置處的長索對主梁位移產生的影響最大，其次為中索，影響最小的為短索，即斜拉索距離主塔越近，對主梁線性位移的影響程度越小。

3.2 拉索損傷對索力變化的影響

由于斜拉索中存在著初始拉應力，導致其對周圍環境以及荷載的變化比較敏感，當斜拉橋承受的荷載不變的情況下，拉索產生損傷會導致拉索有效受力面積減小，最終導致斜拉索內部發生內力重分布，為了研究斜拉索損傷對拉索索力重分布的影響規律，結合各個模型工況對其進行理論分析，其中單根拉索損傷對索力性能影響的規律如圖6所示。

圖6 單根拉索損傷索力變化圖

根據圖6可以看出，當拉索發生損傷時，損傷后的拉索索力會相應的減小，同時拉索兩側附近的拉索索力不斷增大；從另一方面也能夠看出，拉索損傷對兩側拉索索力的影響范圍是有限的，僅僅會對其附近范圍內的拉索產生影響，對距離較遠處的拉索影響程度較小。

3.3 拉索損傷對主塔的影響

為了研究拉索損傷對主塔節點的位移影響，對圖3中的主塔節點進行編號，按照從上到下由1-32對索塔的各個節點依次編號，根據工況1-6主塔各個節點的變化規律，從而得到左側以及右側索塔的位移變形狀況分別如圖7及圖8所示。其中正值表示拉索損傷后該節點位移增大，反之，表示拉索損傷后節點位移減小，

圖7 左側索塔的位移變形圖

圖8 右側索塔的位移變形圖

根據上圖可以看出，工況1（邊跨長索損傷）及工況6（中跨長索損傷）對主塔位移影響最為明顯，其他工況的影響較小。

4 結論

本文結合閱江大橋斜拉索出現的護套刮痕以及內部斜拉索局部銹蝕的問題，對斜拉橋拉索發生損傷后對應的等效彈性模量變化、拉索損傷對斜拉橋主梁位移以及拉索索力變化進行了分析，主要得到了以下結論：

1）斜拉橋拉索損傷會影響拉索自身的力學性能，導致斜拉橋拉索的等效彈性模量發生變化，并且隨著損傷率越大，斜拉橋拉索的等效彈性模量越低。

2）邊跨位置處的長索對主梁位移產生的影響最大，短索影響程度最小，斜拉索距離主塔越近，對主梁位移的影響程度越小。

3）當拉索發生損傷時，損傷后的拉索索力會相應的減小，同時拉索兩側附近的拉索索力不斷增大；同時拉索損傷對周圍拉索索力的影響范圍是有限的，且邊跨及中跨長索損傷對主塔的影響最為顯著。