單索面混凝土斜拉橋薄壁箱梁超載作用下的扭轉損傷性能研究

陳星燁 李彥超

摘 要：為了研究單索面混凝土斜拉橋薄壁箱梁超載作用下扭轉對損傷的影響，本文以臨海大橋為工程背景，利用ABAQUS建立混凝土塑性損傷模型，通過逐級加載進行數值模擬仿真。結果顯示，正常偏載或均載作用下的單索面混凝土斜拉橋薄壁箱梁都能夠正常工作;加載到2.1倍時，偏載情況下開始產生損傷，而均載情況下依舊沒有產生損傷;相同倍數荷載情況下，偏載加載造成的損傷度高于均載加載;單索面混凝土斜拉橋薄壁箱梁超載時，扭轉對損傷的影響比較大。

關鍵詞：單索面混凝土斜拉橋;薄壁箱梁;超載;扭轉;損傷;數值模擬

中圖分類號：U448.27文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）09-0101-03

Abstract： In order to study the effect of torsion on damage of single-cable plane concrete cable-stayed bridge thin-walled box girder under overloading， this paper took Linhai Bridge as the engineering background， used ABAQUS to establish a concrete plastic damage model， and conducted numerical simulation through gradual loading. The results show that the thin-walled box girder of single-cable plane concrete cable-stayed bridge under normal eccentric load or uniform load can work normally; when loading to 2.1 times， damage begins to occur under partial load， but there is still no damage under uniform load; under the same multiple load， the damage caused by eccentric load is higher than that of uniform load; when the thin-walled box girder of a single-cable plane concrete cable-stayed bridge is overloaded， the torsion has a greater impact on the damage.

Keywords： single cable plane concrete cable-stayed bridge;thin-walled box girder;overload;torsion;damage; numerical simulation

單索面混凝土斜拉橋箱梁具備薄壁、翼寬、扁平和單箱多室的特點，斜拉索錨固于主梁中心線上，因而難以給主梁提供抗扭支承，在汽車偏載作用下，主梁的空間扭轉效應和扭轉抗裂問題十分突出。國內外學者對混凝土箱梁的扭轉問題進行了大量的探討，取得了多項成效顯著的理論研究與應用成果[1-5]。由于復合受力狀態下單索面混凝土斜拉橋薄壁箱梁扭轉問題的復雜性和艱巨性，現有針對薄壁箱梁的研究主要從純扭、純彎的角度來考慮箱梁的扭轉效應及損傷情況，與處于復合受力狀態的單索面混凝土斜拉橋薄壁箱梁的受力環境存在差異，同時單索面混凝土斜拉橋薄壁箱梁復合受力下偏載造成的扭轉效應對損傷的影響還有大量值得研究的地方。本文擬采用有限元數值模擬的方法研究單索面混凝土斜拉橋薄壁超載情況下偏載作用對損傷的影響。基于相似理論，筆者設計一個全截面節段模型，參考文獻[6-7]建立混凝土塑型損傷模型，運用ABAQUS有限元軟件進行數值模擬仿真。

1 混凝土塑性損傷模型

ABAQUS有限元軟件中提供的CDP模型是由數位外國學者[8-9]提出的。混凝土在單軸受拉時，應力-應變曲線主要可分為兩個階段，即損傷出現前的線彈性階段和產生損傷后的軟化階段，其應力-應變曲線如圖1所示。[εel0t]、[εelt]分別為無損傷的混凝土受拉彈性應變和考慮損傷的混凝土受拉彈性應變;[εplt]、[εckt]分別為混凝土受拉的塑性應變和非彈性應變;[σt]、[σt0]分別為拉應力和抗拉極限強度。

混凝土單軸受拉應力-應變曲線方程為：

式中，[dt]為受拉損傷因子;[E0]為變形模量。

混凝土在單軸受壓時，應力-應變曲線主要可分為三個階段，即線彈性階段、強化階段以及軟化階段，應力-應變關系如圖2所示。[εel0c]、[εelc]分別為無損傷的混凝土受壓彈性應變和考慮損傷的混凝土受壓彈性應變;[εplc]、[εinc]分別為混凝土受壓的塑性應變和非彈性應變;[σc]、[σc0]、[σcu]分別為壓應力、最大彈性壓應力和極限壓應力。

混凝土單軸受壓應力-應變曲線方程為：

式中，[dc]為受壓損傷因子。

2 塑性損傷因子的計算

ABAQUS中的損傷模型不僅要輸入混凝土本構數據，還要輸入受拉和受壓損傷因子[dt]、[dc]。人們可以根據規范[10]給定的混凝土單軸受拉受壓應力-應變曲線以及損傷演化參數，參考相關文獻[11]，結合Sidiroff能量等價原理，推導出可以運用于塑性損傷模型的損傷因子。

3 有限元數值模擬分析

3.1 有限元模型建立

本文構建的模型以位于臨海市的臨海大橋為工程背景，該橋為獨塔單索面混凝土斜拉橋，采用單箱三室混凝土箱梁。首先利用Midas/Civil建立全橋模型，計算出全橋扭轉最不利受力位置為靠近塔柱的0號梁段。為了精確研究0號梁段受力情況，消除圣維南效應的影響，研究人員將其增加5個梁段，總模型節段長為32 m，梁段上橫隔板中部錨固有斜拉索。利用ABAQUS建立節段有限元模型，如圖3所示。模型采用C50混凝土，根據已推出的計算公式確定C50混凝土本構參數，鋼筋塑性損傷參數輸入參考相關規范。模型約束采用一端固結、另外一端自由的方式，斜拉索頂端采用鉸接約束且設有預應力。人們可以通過Midas/Civil計算出截面32 m處的內力，并將這些邊界力施加到懸臂端。為了更好地研究扭轉造成的損傷情況，研究人員把車道和人群荷載分別按偏載和均載加載，然后進行逐級加載數值模擬。

3.2 數值模擬分析

正常偏載作用和均載作用下，有限元模型都沒有損傷產生;當偏載和均載均加到2.1倍時，偏載情況下混凝土開始產生受拉損傷，均載作用下混凝土依舊沒有產生損傷，其受拉損傷云圖如圖4所示。

繼續逐級加載時，混凝土損傷程度會快速變大，當加到3.6倍時，均載作用下混凝土損傷程度達到28%，而偏載作用下損傷程度達到85%，損傷云圖如圖5、圖6所示。

兩種不同加載情況下混凝土模型受拉損傷度與荷載倍數的關系曲線如圖7所示。

從圖7可以看出，當車道荷載和人群荷載按偏心加載在橋面板的一側時，隨著荷載的不斷加大，混凝土受拉損傷度起初上升比較平緩，然后迅速增大，達到一定損傷程度后，發展會比較緩慢;當車道荷載和人群荷載均布加在橋面板兩側時，隨著荷載的不斷增大，其混凝土損傷度曲線會平滑上升且增長率越來越快。

4 結論

本文通過ABAQUS建立單索面混凝土斜拉橋薄壁箱梁有限元模型，然后進行數值模擬分析。研究結果表明，正常偏載作用下0號梁段不會產生損傷;當偏載增大到2.0～2.1倍時，其開始產生受拉損傷;當偏載加到3.6倍時，其會出現大面積損傷。相同荷載加載倍數情況下，偏載作用下造成的混凝土受拉損傷程度高于均載作用下受拉損傷程度;單索面混凝土斜拉橋薄壁箱梁在超載情況下的扭轉效應對損傷的影響較大，不可忽略。

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