大跨径钢管混凝土桥梁拓扑易损性分析研究

2019-05-15赵刚

山西交通科技 2019年2期

赵刚

（山西省交通科学研究院，山西太原 030006）

0 引言

结构易损性一般指在意外事件作用下结构受损伤的程度，主要包括破坏以及倒塌两个方面。桥梁结构作为工程中常见的结构之一，承受着较大的外荷载作用，例如桥梁易受风力作用而导致拉索断裂等[1]。对于拓扑分析方法，目前工程上主要通过将要研究的构件移除，依次分析构件移除后结构的响应。近年来，国内学者进行相关的研究，例如，刘震等[2-3]以飞燕式钢管混凝土拱桥作为例，采用数值分析方法对地震样本进行输入，并采用Park-Ang 损伤模型对地震损伤进行识别，得到了近断层地震动和非近断层地震动的易损曲线；王海良等[4]以曲线钢管混凝土空间组合桁架连续梁桥为例，使用OpenSees 软件建立了三维有限元动力分析模型并从PEER 地震数据库中选取10 条地震动记录进行增量动力分析。刘文政、刘阳冰等人[5-6]以双杆体系为例进行分析，将荷载作用下的节点位移随双杆夹角的变化规律相互对比，证明了构形度为整个结构或子结构构形好坏的评价指标；于刚、余章良等[7-8]以平面杆系结构三角形钢屋架为例，并将构形易损性理论推广至空间杆系结构，之后对单层柱面网壳结构的易损性进行了分析。本文主要以某中承式钢管混凝土肋拱桥为例，利用有限元数值软件，分析了桥梁的拓扑易损性特点，并着重分析了单根吊杆断裂、上下游各一根吊杆断裂、同侧双吊杆断裂情况下桥梁的桥面位移和易损性，以期为工程施工和抗损设计提供参考。

1 工程概况

某地一个中承式钢管混凝土拱肋桥，该拱肋桥的横跨236 m，矢跨比1/5，拱轴线呈2 次抛物线。拱肋为等高等宽的钢管混凝土桁构，拱肋截面总高4.5 m，总宽2.0 m。主拱肋圆管外径700 mm。腹杆外径400 mm。

桥梁中的吊杆横梁为双吊杆，之间通过现浇段连接到一块，对于带吊杆，其内部钢丝束直径大小为6 mm，而每束里面又包含60 束钢丝。在其强度方面，标准强度为1.57 GPa，对于单根吊杆，其断裂时的临界荷载为1 870 kN。

图1 桥梁结构示意图

图1展示了桥梁的吊杆结构示意图。对于上、下侧游的吊杆，分别采用英文字母S 和X 进行表示，由图可知，从左到右，对于上游吊杆，编号顺序为S1～S30，同理对于下游侧吊杆，编号为X1～X30。这里举个例子，如编号S1Z，表示为1 号吊杆横梁上游侧的左侧吊杆。这里面S 就表示上游侧，而Z 表示为左侧（对于右侧来说，用Y 表示），数字1 表示标号为1 号的吊杆横梁。

2 数值建模

2.1 网格划分

如图2 所示，本文采用大型有限元软件进行建模分析。模型中主要包含拱肋、吊杆、横梁预应力筋以及二期恒载等单元，对于上述单元，分别采用Beam189 单元、Link10 单元、Link8 单元以及mass21单元。对于壳体，采用Shell181 单元，将混凝土面板分成含有5 个结构层的壳体单元，对于混凝土面板，其采用的本构模型为DP 模型，对于钢筋，其采用的本构模型为BISO 模型。模型中桥面板两端进行简支。

图2 数值模型图

3 拓扑易损性数值结果分析

本节主要考虑单根、双根吊杆断裂带来的影响，并假设吊杆断裂为一次性全断裂，即全部丧失承载能力。

3.1 单根吊杆断裂

图3 跨中S15Y 吊杆断裂过程中桥面位移

如图3 所示，为桥梁跨中S15Y 吊杆断裂过程中桥面位移，在有限元软件中，采用单元生死技术在全桥的静力分析后将断裂的吊杆杀死。由图可知，静力条件下桥面的位移值大小为151.3 mm，在S15Y吊杆断裂瞬间，桥面下沉明显，其中最大位移值为173.5 mm，相比于静态时挠度增加了22.2 mm。此外，根据图可以看到，在桥面最大位移之后，桥面又缓慢上浮并于40 s 前后逐渐趋于平衡，最终稳定值为166.8 mm。

3.2 上下游各一根吊杆断裂

如图4 所示，为同一根横梁上下游S15Y、X15Y吊杆断裂时桥面的位移。根据以往经验可知，对于同一根横梁上两端同时有一根吊杆断裂，会引起吊杆横梁向异侧扭转并对桥梁稳定产生不利影响。由图可知，静力条件下桥面的位移值大小为152.4 mm，在S15Y、X15Y 吊杆断裂瞬间，桥面下沉明显，其中最大位移值为177.6 mm，相比于静态时挠度增加了25.2 mm。此外，根据图可以看到，在桥面最大位移之后，桥面又缓慢上浮并于40 s 前后逐渐趋于平衡，最终稳定值为169 mm 上下。

图4 相同横梁上下游S15Y、X15Y 吊杆断裂时桥面的位移

3.3 同侧双吊杆断裂

如图5 所示，为同一根横梁同侧S15Z、S15Y 吊杆断裂时桥面的位移。对于同一根横梁上同侧同时有两根吊杆断裂，会引起吊杆横梁下沉并对桥梁现浇两侧稳定产生不利影响。由图可知，静力条件下桥面的位移值大小为152.8 mm，在S15Z、S15Y 吊杆断裂瞬间，桥面下沉明显，其中最大位移值为227.3 mm，相比于静态时挠度增加了74.5 mm。此外，根据图可以看到，在桥面最大位移之后，桥面又缓慢上浮逐渐趋于平衡，最终稳定值为200 mm 上下。

图5 相同横梁同侧S15Z、S15Y两根吊杆断裂后吊点处桥面位移

3.4 桥面结构易损性评价

桥面易损性的相邻横梁间最大竖向位移Qi和最大相邻吊杆应力σi作为评价指标。其中，Q 表示断裂吊杆的吊点与相邻吊杆横梁上近侧吊杆吊点的相对位移，对于易损伤场景i 对结构性能的影响程度Ki按式（1）、式（2）定义：

式中：Q 为极限相对位移；[σ]为吊杆容许应力。对于Kiu和Kiσ的取值大于1 时，可取1.0。

考虑桥面板配有通长预应力筋而不至塌落，根据文献[9]取开裂位移27.5 mm 作为完全损毁的标准。吊杆的容许应力[σ]取值为在吊杆安全系数为

2.5 条件下的最大应力，即：

如图6 所示，为单根吊杆断裂时桥面的易损系数，由图可知，对于短吊杆断裂，一般易损性值较小，而长吊杆断裂时易损值较大，故长吊杆断裂对桥面稳定带来的影响更大。图7 为横梁上下游各一根吊杆断裂时桥面的易损系数，由图可知，上下游各一根吊杆断裂时的易损性更高。此外，同侧两根吊杆断裂时，各个断裂组合桥面都超过了完全破损状态，此处未列出。