人行悬索桥突然断索动力效应研究

李萌 郭强 李浩然 贾雨欣 李春清 罗振宇

摘要：针对大跨人行悬索桥的突然断索动力响应问题采用有限元手段（ANSYS）进行分析，以某山区人行悬索桥为工程背景，构建了大跨人行悬索桥的有限元模型，分析了不同断索位置工况下悬索桥的动力响应。结果表明：吊索断裂后会使悬索桥结构其它吊索索力发生重分布，距离断索位置最近的吊索轴力变化最大，离断索位置越远的吊索受到的动力响应越小。不同位置断索时，主缆张力变化较为接近，索塔顶部位移变化较为接近，断索位置距索塔越远，则索塔底部支反力有增大趋势，且增大量较小。

Abstract： The finite element method （ANSYS） is applied to the analysis of the sudden cable breaking dynamic response of long-span pedestrian suspension bridge. The finite element model of the long-span pedestrian suspension bridge is constructed with a mountainous pedestrian suspension bridge as the engineering background. The dynamic response of the suspension bridge under different broken cable locations are analyzed. The results show that after the sling breaks， the cable tension of other slings in the suspension bridge structure will be redistributed. The axial force of the sling closest to the location of the sling is the largest， and the sling that is farther from the sling position is less responsive. When the cable is disconnected at different positions， the tension of the main cable is relatively close， and the displacement of the top of the tower is relatively close. The farther the cable is from the tower， the greater the reaction force at the bottom of the tower is， and the increase is smaller.

关键词：悬索桥;精细化模型;断索;动力响应

Key words： suspension bridge;refined model;broken cable;dynamic response

中图分类号：U448.25                                     文獻标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）29-0181-02

0  引言

大跨度的斜拉桥、悬索桥需要使用主缆、拉索和吊索结构。早期修建的悬索桥由于设计和建造技术不成熟，投入运行过程中的养护维修不到位，大多面临吊索和主缆严重锈蚀问题。吊索在严重锈蚀高强度张力工作状态下，极易降低其平均使用寿命[1]。严重锈蚀的吊索突然断裂，会引起整个桥梁结构发生剧烈的抖动，严重危害桥梁的正常运行[2]。

江阴长江大桥是国内第一座跨径大于1000m的大跨度悬索桥，相关单位于2009年对其全部吊索进行更换[3]。汕头海湾大桥建成时间较早，由于该桥吊索锈蚀严重，2012年更换了部分严重锈蚀吊索，并于2015年对全部吊索进行更换[4]。

国内外许多学者针对吊索断裂对桥梁安全性的影响进行了研究。Ruiz-Teran等研究了拉索突然断裂对桥梁的动力响应情况，发现断索响应的分析必须基于动力分析方法[5]。沈锐利等研究了单根吊索断裂对其余吊索的影响程度，结果表明单根吊索断裂对其余吊索的动力响应较为显著[6]。

国内大多数悬索桥吊索采用平行镀锌钢丝。已建悬索桥运营情况表明，作为生命线工程的悬索桥正在经受着锈蚀带来的吊索断裂挑战。为此，本文研究断索对悬索桥结构影响。

1  工程背景及有限元模型

1.1 工程概况

本文以某工程中山区人行悬索桥为研究对象。该桥全长185.4m，桥跨布置采用（15.5+150+15.5）m，主桥为跨度150m地锚式单跨双铰悬索桥，成桥状态下，主缆跨中最低点与索鞍处最高点间距10m，主缆失跨比为1/15，全桥共73根吊杆，吊杆间距2.0m，引桥为弯桥，横断面为单箱多室小箱梁，沿道路中心线直线段长度为3.7m，圆弧段长度为11.75m。

1.2 有限元模型建立

本文采用有限元分析软件ANSYS进行悬索桥建模。根据实际工程特点，其中纵梁、横梁、桥塔等结构采用空间两单元BEAM4模拟，主缆、吊索、抗风缆、抗风拉锁采用空间杆单元LINK10模拟，栏杆、索夹等采用节点质量单元MASS21模拟，桥面板采用壳单元SHELL63模拟。

2  断索算例分析

为了研究人行悬索桥的吊索对悬索桥安全性影响的程度，本文对不同位置吊索断索后悬索桥结构的动力效应进行了分析。分析过程中，主缆与吊索采用张力进行分析，索塔顶部采用位移进行分析，索塔底部采用支反力进行分析。

2.1 吊索的动力效应分析

端部吊索断裂后，相邻吊索轴力响应如图1所示。

由图1可知，吊索断裂后会使悬索桥结构其它吊索索力发生重分布，距离断索位置最近的3527号吊索轴力变化最大，离断索位置越远的吊索受到的影响越小。

2.2 主缆的动力效应分析

研究断端部吊索、1/4处吊索和1/2处吊索时主缆张力的动力响应，具体图2所示。

由图2可知，断端部吊索、1/4处吊索和1/2处吊索时，主缆张力变化较为接近，稳定后的张力值也基本一致。由此可知，不同位置吊索断裂对主缆的动力影响较小。

2.3 索塔的动力效应分析

研究断端部吊索、1/4处吊索和1/2处吊索时索塔顶部位移的动力响应，具体如图3所示。

由图3可知，断端部吊索、1/4处吊索和1/2处吊索时，塔顶位移变化较为接近，稳定后的张力值也基本一致。由此可知，不同位置吊索断裂对塔顶位移影响较小。

研究断端部吊索、1/4处吊索和1/2处吊索时索塔底部支反力的动力响应，具体如图4所示。

由图4可知，断端部吊索、1/4处吊索和1/2处吊索时，塔底支反力变化较为接近。由此可知，断索位置距索塔越远，则索塔底部支反力有增大趋势，且增大量较小。

3  结论

以某山区人行悬索桥为工程实例，利用ANSYS实现不同吊索断裂工况下对大桥的动力效应分析。具体结论如下：

①吊索断裂后会使悬索桥结构其它吊索索力发生重分布，距离断索位置最近的吊索軸力变化最大，离断索位置越远的吊索受到的影响越小。

②不同位置断索时，吊索断裂对主缆的张力影响较小。

③不同位置吊索断裂对塔顶位移影响较小，且断索位置距索塔越远，则索塔底部支反力有增大趋势，且增大量较小。

参考文献：

[1]石伟，华剑平，郑国坤，王瀚德，雷欢.拱桥吊杆加固体系的应用探讨[J].预应力技术，2014（05）：3-6，18.

[2]王力力，易伟建.斜拉索的腐蚀案例与分析[J].中南公路工程，2007（01）：93-98.

[3]孙洪滨.江阴大桥吊索典型病害及更换工艺[J].科技创新与应用，2014（31）：70-71.

[4]王江鸿，王修山，阳春龙.汕头海湾大桥试验吊索更换工程施工和监控[J].公路与汽运，2015（06）：172-177.

[5]Ruiz-Teran A M，Aparicio A C. Response of under-deck cable-stayed bridges to the accidental breakage of stay cables[J]. Engineering Structures， 2009， 31（7）：1425-1434.

[6]沈锐利，房凯，官快.单根吊索断裂时自锚式悬索桥强健性分析[J].桥梁建设，2014，44（06）：35-39.

[7]李浩然，黄伟，金旭光.地锚式人行悬索桥静动力特性研究[J].价值工程，2019，38（09）：130-132.