不同位置的拉索损伤对斜拉桥力学性能的影响研究

2020-07-25韦修箭潘自强

甘肃科技 2020年4期

韦修箭，潘自强

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北武汉 430052)

经过几十年的发展，斜拉桥以其结构体系受力合理，跨越能力大，以及良好的经济性及适用性，得到世界各国桥梁结构设计师的广泛认可。同时斜拉桥的数量也在不断的增加，一般斜拉桥主要包含有三个部分，即主梁、斜拉索、索塔，其中斜拉索作为主梁与索塔之间连接的重要组成部分，其能否合理的传力是决定斜拉桥自身安全的重要因素。近年来，随着斜拉桥使用年限的增加，斜拉索腐蚀损伤已经逐渐成为影响斜拉桥安全承载的重要因素，同时研究斜拉索腐蚀损伤对斜拉桥体系结构安全的影响规律也逐渐成为一个重要的课题，对斜拉索后期维护检测具有一定的工程应用价值。目前国内外对于斜拉索损伤的影响研究还不够深入，主要包含以下几方面的内容，国外Yanaka Y,Kitagawa M等人分析研究了对斜拉索的数量对斜拉桥特性的影响规律。并且采用刚度矩阵法对拉索数量以及边跨比对斜拉索索力的影响程度进行了研究分析，结果表明，斜拉索的数量不算增加，对提升结构的承载能力没有明显的效果。

西南交通大学熊涛，通过从结构力学以及斜拉桥病害资料两个方面出发进行了研究分析，通过选取典型的拉索研究了斜拉索损伤对斜拉桥全桥结构的影响，主要将损伤的斜拉索作为断裂的拉索这种极端情况进行考虑。

国内外学者均表明:斜拉索腐蚀可以改变拉索的弹性模量，同时是拉索局部位置出现凹坑，最终导致拉索局部区域产生应力集中，最终致使拉索承载能力的降低。但是目前关于斜拉索正常使用期间，拉索的管理维护以及损伤评估等方面的内容还没有形成统一的标准，因此需要进一步进行研究。

综上所述，以上研究均从只从单一的方面如环境、应力等局部研究，分析研究拉索的腐蚀损伤病害特点及成因，归纳总结拉索腐蚀机理；研究不同程度腐蚀损伤的拉索对桥梁结构的影响；为斜拉桥的设计、结构健康监测的研究、斜拉桥日常管理、维护等工作提供参考和指导；为斜拉桥结构的安全性、耐久性提供有利保障，延长使用寿命具有重大意义。

1 桥梁概况

阅江大桥位于广东省肇庆市，项目线位起点位于北岸端州区古塔路与星湖大道交叉路口，沿古塔路跨越西江，在南岸高要乌榕村与世纪大道（S272）衔接。主线全长3.837km，该桥第十一联为（160+320+160）m斜拉桥，主梁采用C60砼，单箱五室类三角形截面，梁高3.7m，顶板宽33.5m，底板宽12m，两侧悬臂长4.5m，顶面设双向2%的横坡。标准索距梁段每6m 设置一道横梁，中室横梁厚0.6m，边室横梁厚0.4m。压重段横梁厚均为0.7m。

斜拉索采用低应力双层HDPE防护平行热镀锌拉索，钢丝采用Ф7mm低松弛镀锌钢丝，其标准强度бb=1670MPa。斜拉索上端锚固于塔柱上，下端锚固于主梁中间两腹板之间，两索面横向间距2.2m，全桥共192根索。每塔24对索，均在梁上张拉。

主塔为钢-混组合塔，上塔柱为等截面钢塔，塔柱横桥向宽度4.0m，纵桥向宽度3.6m，塔间系梁均为钢系梁。下塔柱为钢筋混凝土结构，混凝土强度等级为C60，塔柱截面横桥向宽4.0m，纵桥向为变截面，塔柱底部尺寸为9m×3.7m，布置形式如图1所示。

图1 主桥测试控制截面示意图（单位:cm）

1.1 斜拉索的护套刮痕

斜拉索PE护套存在不同程度的刮痕、刮损等病害，主要原因为斜拉索在运输及挂设安装过程中受硬物摩擦、碰撞所致，PE护套刮痕破坏形式如图2所示。

图2 PE护套刮痕

斜拉索处于自然环境中，经常受到日晒、雨淋，拉索施工时对PE护套造成的刮痕和刮伤，随着使用时间的增长，原有的病害会随着加剧。由于对损伤部分现场修补能力有限，使得拉索耐久性降低，护套破损会使得拉索裸露在大气中容易被雨水侵蚀。这些损伤会对斜拉索的使用寿命及受力性能产生较严重影响。

1.2 护套内部钢丝腐蚀

当斜拉索护套破损后，内部钢丝将会暴露在空气当中，直接与外部环境直接接触，在周围空气以及水分的影响下，钢丝将有可能发生腐蚀，同时腐蚀程度不断增大，在高应力状态下将会发生断裂。其腐蚀形式如图3所示。

图3 护套内部钢丝腐蚀

2 拉索损伤对结构静力性能的影响

2.1 拉索的损伤后的弹性模量

为了研究拉索损伤后对应的弹性模量，采用材料连续度φ来表征材料的损伤程度，当材料的连续度为φ时对应的材料的损伤率ψ如式（1）所示。

上式中，ψ表示材料的腐蚀率，对于金属材料而言，材料的损伤程度主要体现在材料有效受力面积的变化，假定金属材料的初始受力面积为A，当材料损伤后对应的有效受力面积为A1，则对应的材料损伤率也可以用下式进行表示。

结合式（1）以及（2）可以看出，当材料连续度φ=1时，此时腐蚀率ψ=0，表示材料没有损伤；当材料的连续度φ=0时，此时腐蚀率ψ=1，表示材料的完全损伤，有效的受力面积为0。

根据弹性材料的应力应变的本构关系如式（3）所示。

当金属材料发生一定的腐蚀时，由于有效受力面积的减小，导致腐蚀区域的应力增大，如式（4）所示。

从而得到金属材料腐蚀前后对应的应力之间的关系如式（5）所示。

式中，σ1——表示结构中的有效应力；

σ——表示材料的名义应力；

ψ——表示材料的损伤率。

根据应变等效原理，假定材料在等效应力状态下，材料损伤前后所产生的应变相同，在此基础上可以推导出材料受损时所对应的应力应变本构关系。

拉索在无损状态下的应变为ε=σ/E，采用有效应力代替名义应力，可得到下式。

由此可知，斜拉索损伤后对斜拉索的弹性模量会产生一定的影响，将斜拉索损伤后的材料作为一种复合材料，根据复合材料的复合规律，可以推导得到拉索损伤后的弹性模量，如式

上式中，E1为斜拉索损伤后的等效弹性模量，E为斜拉索未损伤部分材料对应的弹性模量，Ev为斜拉索损伤部分材料对应的弹性模量，ψ为材料的损伤率。

根据等效弹性模量的概念，Ernst首先提出了斜拉桥拉索的弹性模量计算公式如式（7）所示。

上式中，E为索的弹性模量；A为索的截面面积；W为索单位长度的重量；l为索两端点水平距离；T为索的拉力。

将式（7）代入式（8）中可推导得到损伤后斜拉桥拉索的等效弹性模量。

因此，损伤变量可以由材料的弹性模量进行表示。

3 拉索损伤对斜拉桥力学性能的影响

为了研究不同位置的拉索损伤后弹性模量变化对斜拉桥力学性能的影响，结合本工程实例采用ANSYS软件进行模拟分析，桥梁结构的计算模型如图4所示。

图4 桥梁结构计算模型（拉索编号从左到右编号为1-29,30-58,59-87,88-116）

同时选取6种不同的工况进行分析，每种工况下按照拉索按照损伤程度的30%进行损伤工况的组合，具体的工况组合形式见表1。

表1 损伤工况组合表

3.1 拉索损伤对主梁位移变化的影响

同时，其边跨长索至中跨长索的主梁节点编号主要分布于60～180节点之间。

通过对各种工况下，单根拉索损伤前后主梁位移变化的对比分析，可以得到各个位置处主梁拉索的损伤对主梁竖向位移变化的影响，如图5所示。

图5 单根拉索损伤主梁位移变化图

在图5中，正值表示拉索损伤后节点的位移增大，负值表示对应节点的位移减小。

根据上述分析可以看出，边跨位置处的长索对主梁位移产生的影响最大，其次为中索，影响最小的为短索，即斜拉索距离主塔越近，对主梁线性位移的影响程度越小。

3.2 拉索损伤对索力变化的影响

由于斜拉索中存在着初始拉应力，导致其对周围环境以及荷载的变化比较敏感，当斜拉桥承受的荷载不变的情况下，拉索产生损伤会导致拉索有效受力面积减小，最终导致斜拉索内部发生内力重分布，为了研究斜拉索损伤对拉索索力重分布的影响规律，结合各个模型工况对其进行理论分析，其中单根拉索损伤对索力性能影响的规律如图6所示。