斜拉桥的鲁棒性研究★

王 晓 琴

(武汉科技大学城市学院，湖北 武汉 430083)

斜拉桥的鲁棒性研究★

王 晓 琴

(武汉科技大学城市学院，湖北 武汉 430083)

结合工程实例，基于结构动力性能下承载力、位移、能量、灵敏度的鲁棒性指标，分析了斜拉索的断裂对整个斜拉桥结构的影响，得出了一些有意义的结论，为同类工程的研究奠定了基础。

斜拉桥，鲁棒性指标，结构，破坏

由于近年来，在我国发生了很多恶性的工程事故，这些事故很多都是桥梁的损坏，其中主要是以斜拉桥居多，而对于这些桥梁来说很多的损坏都是来自于斜拉索的断裂，斜拉索的断裂必然会导致整体结构的失效甚至连续倒塌，因此研究斜拉索的断裂对于整个斜拉桥结构来说至关重要。对于工程结构的整体损坏我们可以从结构的鲁棒性这一点来研究，结构的鲁棒性的研究主要是从危险性、易损性、鲁棒性这三个方面的指标来反映。虽然国际上对于鲁棒性研究从很早就开始了，但是到目前为止仍没有形成系统的设计方法和完整的理论分析体系。鲁棒性，在土木工程中我们可以理解为在外界既定条件和偶然事件下，结构受到的影响对于它发挥性能维持正常工作的一种能力。斜拉桥的鲁棒性研究，本文从基于承载能力、位移、结构灵敏度等几种指标进行研究。

1 结构动力性能下承载力的鲁棒性指标

结构的鲁棒性和冗余性有着千丝万缕的联系，把结构损伤前后整体承载力变化的各种指标作为结构冗余性的评价在20世纪80年代就有人提出。

冗余度的指标有以下几种表示方法：

第一种冗余度指标称为储备强度比：承载力与设计承载力的比值：

(1)

其中，Vu为完好体系结构的承载力；Vd为结构的设计承载力。

第二种冗余度指标“剩余和损伤”强度比DSR：损伤结构的承载力与设计承载力的比值：

(2)

其中，Vr为损伤结构的承载力；Vd为结构的设计承载力。

第三种冗余度指标称为剩余影响系数RIF：损伤结构承载力与完好结构设计承载力的比值:

(3)

由图1可以知道，储备强度比与损伤强度比的比值就是剩余影响系数:

(4)

第四种强度冗余度系数比:

(5)

2 结构动力性能下位移的鲁棒性指标

(6)

其中,So为结构处于完好状态时的位移向量；Sd为结构处于损伤状态的位移向量；||·||为欧式范数。

3 基于能量的鲁棒性指标

(7)

其中，Eu为结构达到破坏极限状态时耗散的能量；Ed为结构达到屈服状态时的耗散能量。

4 基于灵敏度的鲁棒性指标

(8)

(9)

其中,GRj为结构第j个损伤参数的广义冗余度和标准化广义冗余度；GNRj为结构第j个损伤参数的标准化广义冗余度；Vi为第i个构件的体积；V为结构的总体积；Sij为第i个构件对第j个损伤参数的灵敏度；Ne为结构的构件总数。

5 工程实例

本文主要以武汉后湖大桥为例，研究斜拉索的断裂对整个斜拉桥结构的影响，建立后湖大桥MIDAS模型，分析拉索的断裂后基于结构动力性能下的鲁棒性指标和结构动力性能下承载能力的鲁棒性指标，斜拉桥的模型见图2。

节点总共有230个，单元有155个，其中受拉单元34个，梁单元121个，主梁与桥塔采用三维弹性梁单元模拟，拉索编号是从Z1～Z34,从左边起依次编号为Z33,Z31,Z29,Z27，…，Z5,Z3,Z1,Z2,Z4,Z6，…，Z28,Z30,Z32,Z34，分17种工况(如表1所示)。

表1 工况下对应的拉索

分析17种工况下斜拉索的动力性能承载能力指标DSR和位移鲁棒性指标，结果如表2所示。

表2 承载能力DSR鲁棒性指标和位移鲁棒性指标

6 结语

结果表明：拉索断裂时，越是靠近单侧中间的拉索断裂引起的拉索的索力变化值比较大。在长索和断索靠近中索的位置处挠度变化最大，是最容易发生破坏的位置，要特别注意中间拉索的损坏。

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Research on robustness of cable-stayed bridge★

Wang Xiaoqin

(CityCollege,WuhanUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430083,China)

Combining with the engineering example, based on the robustness index of bearing capacity, displacement, energy, sensitivity under structure dynamic performance, this paper analyzed the influence of stay cables fracture to whole cable-stayed bridge structure, gained some meaningful conclusions, laid solid foundation to the research on similar engineering.

cable-stayed bridge, robustness index, structure, damage

2015-08-21★：湖北省教育厅科研(项目编号：2013230)

王晓琴(1978- )，女，博士，讲师

1009-6825(2015)31-0155-03

U448.27

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