吊桿銹蝕對(duì)下承式系桿拱橋穩(wěn)定性的影響研究

柴國(guó)貞

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司,廣東 廣州 510507)

0 引言

隨著城市化的不斷發(fā)展和人口的不斷增長(zhǎng),交通運(yùn)輸成為城市發(fā)展的重要支撐,而橋梁作為交通運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分,承擔(dān)著極其重要的角色。下承式系桿拱橋作為常見(jiàn)的橋梁形式之一,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、承載能力強(qiáng)等特點(diǎn),已經(jīng)成為城市交通中不可或缺的一種橋梁形式。然而,隨著下承式系桿拱橋的長(zhǎng)期使用,吊桿銹蝕問(wèn)題已經(jīng)逐漸浮現(xiàn),對(duì)下承式系桿拱橋的穩(wěn)定性和安全性產(chǎn)生了極大的影響,成為一個(gè)有待解決的問(wèn)題。

吊桿是下承式系桿拱橋的重要組成部分,其承擔(dān)著分擔(dān)橋面荷載、支撐拱肋和系桿的重要作用。然而,吊桿銹蝕問(wèn)題的存在會(huì)導(dǎo)致吊桿的承載能力和強(qiáng)度減弱,進(jìn)而引發(fā)吊桿的變形、斷裂等問(wèn)題,對(duì)下承式系桿拱橋的穩(wěn)定性和安全性造成不可忽視的影響。因此,研究吊桿銹蝕對(duì)下承式系桿拱橋穩(wěn)定性的影響對(duì)于確保橋梁的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的理論和實(shí)踐意義。馬偉龍用ANSYS研究了銹蝕對(duì)疲勞壽命、應(yīng)力集中系數(shù)等力學(xué)性能的影響[1];潘驍宇則探討了銹蝕鋼絲的脆斷機(jī)理以及力學(xué)性能,使用ABAQUS軟件建立模型進(jìn)行對(duì)比分析和極限應(yīng)變計(jì)算,并提出了分級(jí)辦法[2];吳敏慧等對(duì)吊桿鋼絲及錨箱銹蝕狀況進(jìn)行了檢查并分析了銹蝕原因[3];此外,許多研究人員也通過(guò)對(duì)鋼筋銹蝕后力學(xué)性能及危害進(jìn)行了研究,并得出了一些有關(guān)于銹蝕后力學(xué)性能的理論公式[4-8]。

因此,本文將以鋼筋銹蝕剝殼理論為基礎(chǔ),模擬不同程度的吊桿銹蝕,探究不同程度的銹蝕對(duì)吊桿應(yīng)力及拱橋穩(wěn)定性的影響。這將有助于深入了解吊桿銹蝕對(duì)下承式系桿拱橋穩(wěn)定性的影響,并提供理論支持和參考依據(jù),以確保橋梁的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 工程背景

某下承式系桿拱橋總跨徑為80 m,橋?qū)挒?6 m,拱橋矢跨比為1/4,采用二次拋物線形,拱肋與縱梁采用15對(duì)吊桿連接,最外側(cè)邊吊桿直徑為75 mm,其他吊桿直徑為65 mm。橋梁采用2根縱梁承擔(dān)橋面荷載,主梁采用箱型截面,尺寸為1.8 m×1.3 m,腹板厚度為0.25 m,頂?shù)装搴穸葹?.35 m。拱圈截面采用工字形,上下板寬1.3 m,板厚0.275 m,腹板厚0.7 m。橫梁采用帶肋箱型截面,端橫梁尺寸為1.6 m×1.6 m,中橫梁尺寸1.6 m×1.2 m,板厚均為0.05 m。拱肋及縱梁采用C50混凝土,風(fēng)撐及橫梁采用Q345鋼材,鋼絞線為Strand1860鋼絞線。

2 吊桿銹蝕損傷估計(jì)

拱橋吊桿結(jié)構(gòu)是一種常見(jiàn)的橋梁結(jié)構(gòu)形式,吊桿通常由高強(qiáng)度鋼材制成,結(jié)構(gòu)緊湊,具有較強(qiáng)的承載能力和抗震性能。然而,吊桿的銹蝕問(wèn)題也是不可忽視的。吊桿長(zhǎng)期暴露在空氣中,易受到氧化、腐蝕等因素的影響,形成銹蝕。銹蝕會(huì)使吊桿的截面積減小,降低其承載能力和安全性能,甚至可能導(dǎo)致橋梁倒塌事故的發(fā)生。

根據(jù)銹蝕的類型,可以分為表面銹蝕、孔洞型銹蝕和應(yīng)力腐蝕裂紋等。表面銹蝕主要影響吊桿的外觀,不會(huì)對(duì)其承載能力產(chǎn)生明顯影響;孔洞型銹蝕則會(huì)使吊桿截面積減小,嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致吊桿破裂,危及橋梁安全;應(yīng)力腐蝕裂紋則是由于吊桿長(zhǎng)期受到應(yīng)力作用而引起的,會(huì)使吊桿產(chǎn)生裂紋,進(jìn)而導(dǎo)致吊桿破裂。

鋼筋的銹蝕率分為質(zhì)量銹蝕率和截面銹蝕率兩種,質(zhì)量銹蝕率反映的是質(zhì)量的損失,但銹蝕率較大時(shí),由于銹蝕對(duì)截面的消耗,質(zhì)量銹蝕率不能很好地反映吊桿力學(xué)性能的損失,此時(shí)應(yīng)使用截面銹蝕率來(lái)進(jìn)行反映。截面銹蝕率采用的是最薄弱截面的銹蝕率,更為保守的考慮吊桿銹蝕后殘余強(qiáng)度。截面銹蝕率按式(1)計(jì)算:

ηmax=(S0-Smin)/S0

(1)

其中,S0為銹蝕前吊桿鋼絞線截面積;Smin為銹蝕后最小截面積。

楊良和孫立軍在研究中提出了鋼筋銹蝕剝殼效應(yīng),即銹蝕只會(huì)對(duì)鋼筋表面造成破壞,而對(duì)內(nèi)部未銹蝕部分的鋼筋屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度幾乎沒(méi)有影響。本文將這一理論應(yīng)用到吊桿上,即隨著銹蝕程度的加劇,吊桿的有效作用面積不斷減小,而作用力保持不變,應(yīng)力也隨之增大,承載能力因此下降。當(dāng)應(yīng)力超過(guò)承載能力時(shí),吊桿就會(huì)發(fā)生破壞。對(duì)于銹蝕的吊桿,有效作用截面積即為從外層銹蝕部分剝離后的其余面積,按式(2)計(jì)算:

As(t)=A0(1-ηmax)

(2)

其中,As(t)為有效截面;A0為初始面積;ηmax為最薄弱截面銹蝕率。

3 穩(wěn)定性分析

3.1 有限元模型建立

為更加準(zhǔn)確地分析吊桿銹蝕對(duì)系桿拱橋的空間穩(wěn)定性,采用Midas Civil建立拱橋的數(shù)值模型,拱肋、縱梁、橫梁采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬,吊桿和風(fēng)撐采用桁架單元進(jìn)行模擬,采用虛擬橫梁來(lái)承擔(dān)荷載。全橋模型共439個(gè)節(jié)點(diǎn),601個(gè)單元,建模圖如圖1所示。

采用一般支承模擬橋梁支座,邊界條件如圖1所示。本文建模荷載只考慮恒載,恒載分為自重及均布荷載,均布荷載大小為11.5 N,荷載布置如圖2所示。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

本文采用銹蝕率為0,0.15,0.3,0.5的四組吊桿,分別對(duì)中間吊桿及最外側(cè)吊桿的銹蝕進(jìn)行研究。依據(jù)公式(2),原截面尺寸及銹蝕后等效尺寸如表1所示。

表1 吊桿等效截面

圖3和圖4分別為中間吊桿銹蝕率為0,0.15,0.3,0.5時(shí)的內(nèi)力圖,由圖可知,當(dāng)?shù)鯒U發(fā)生銹蝕時(shí),其內(nèi)力隨銹蝕率增大而增大,其臨近吊桿內(nèi)力隨之減小,其余吊桿內(nèi)力發(fā)生微小變化。

圖5和圖6描述了中間電纜橫截面上不同程度腐蝕下的吊桿的應(yīng)力分布和應(yīng)力折線圖,腐蝕率分別為0,0.15,0.3,0.5。從圖中可以看出,中間吊桿的腐蝕導(dǎo)致應(yīng)力增加,而其他吊桿的應(yīng)力則略有下降。此外,隨著腐蝕程度的增加,中間吊桿的應(yīng)力明顯增加,增幅分別為35.3 MPa,66.6 MPa,153.4 MPa,說(shuō)明在更嚴(yán)重的腐蝕情況下,觀察到更高的增加率。相反,其余吊桿的應(yīng)力只表現(xiàn)出最小的下降。這些發(fā)現(xiàn)表明,中間吊桿的腐蝕會(huì)對(duì)橋梁的整體應(yīng)力分布產(chǎn)生影響,突出了監(jiān)測(cè)和維護(hù)吊桿腐蝕狀況以確保橋梁結(jié)構(gòu)安全和壽命的重要性。

圖7和圖8分別為最外側(cè)邊吊桿銹蝕率為0,0.15,0.3,0.5時(shí)的內(nèi)力圖,由圖可知,當(dāng)?shù)鯒U發(fā)生銹蝕時(shí),其內(nèi)力隨銹蝕率增大而增大,其臨近吊桿內(nèi)力隨之減小,其余吊桿只有小幅變化。

圖9和圖10顯示了拱橋最外側(cè)的吊桿在不同程度的腐蝕下的應(yīng)力分布和折線圖,腐蝕率分別為0,0.15,0.3,0.5,從圖中可以看出,最外層的吊桿中的應(yīng)力明顯增加,而相鄰的幾對(duì)電纜的應(yīng)力則略有下降。此外,中央部分吊桿的應(yīng)力也有小幅增加。最外側(cè)的吊桿中的應(yīng)力隨著腐蝕程度的增加而不斷增加,增幅分別為30.9 MPa,43.2 MPa,103.5 MPa,增加的速度越來(lái)越明顯,而其余電纜中的應(yīng)力相對(duì)來(lái)說(shuō)增加較少。最外側(cè)吊桿銹蝕明顯比中部吊桿銹蝕應(yīng)力變化較小,說(shuō)明中部吊桿銹蝕對(duì)整體穩(wěn)定性的危害遠(yuǎn)大于外側(cè)吊桿。

吊桿的應(yīng)力分布分析的結(jié)果突出了腐蝕對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的潛在危險(xiǎn)。腐蝕會(huì)削弱吊桿的強(qiáng)度,導(dǎo)致應(yīng)力集中的增加和結(jié)構(gòu)失效的更高風(fēng)險(xiǎn)。最外層的吊桿特別容易受到腐蝕,因?yàn)樗鼈儽┞对趷毫拥奶鞖鈼l件和環(huán)境因素中,如水分、鹽水和污染物。此外,應(yīng)力分布分析顯示,腐蝕對(duì)橋梁整體應(yīng)力分布的影響不僅限于受影響的吊桿。相鄰的幾對(duì)纜繩和中央的幾對(duì)纜繩的應(yīng)力也會(huì)發(fā)生微小的變化,這表明一條纜繩的腐蝕會(huì)對(duì)整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生波紋效應(yīng)。

因此,實(shí)施預(yù)防性維護(hù)措施以減輕腐蝕對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響是至關(guān)重要的。定期檢查、清潔和涂抹吊桿有助于防止腐蝕和延長(zhǎng)橋梁結(jié)構(gòu)的壽命。此外,用于橋梁建設(shè)和維護(hù)的新材料和技術(shù)的發(fā)展可以提供更有效和持久的解決方案,以對(duì)抗腐蝕的影響。

圖11分別為無(wú)銹蝕,中間吊桿和最外側(cè)邊吊桿銹蝕率為0.5及同時(shí)銹蝕時(shí)的拱肋、縱梁、橫梁應(yīng)力圖。由圖11可以看出無(wú)論是中間吊桿還是外側(cè)吊桿腐蝕,縱梁、拱肋、橫梁的應(yīng)力均為出現(xiàn)較大改變,這是由于橋梁結(jié)構(gòu)本身設(shè)計(jì)會(huì)相對(duì)保守,它允許其他吊桿承擔(dān)以前由被腐蝕的吊桿承擔(dān)的部分載荷,進(jìn)而對(duì)橋梁整體的空間穩(wěn)定性影響較小。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同銹蝕程度下的中間吊桿及最外側(cè)邊吊桿對(duì)拱橋結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響分析了銹蝕對(duì)橋梁吊桿的危害,得到了以下結(jié)論:

1)單對(duì)吊桿銹蝕會(huì)造成其本身有效截面減小,應(yīng)力大幅增加,增大其破壞可能性,對(duì)其他吊桿應(yīng)力影響較小。2)單對(duì)吊桿銹蝕對(duì)拱肋、縱梁等應(yīng)力影響很小,對(duì)橋梁整體空間穩(wěn)定性影響較小,除非發(fā)生斷裂破壞。