矮塔斜拉桥单侧断索和双侧对称断索影响效应分析

杨东 董福民 宁晓骏 陈茂

(1.昆明理工大学建筑工程学院 昆明 650500； 2.云南建设基础设施投资股份有限公司 昆明 650000)

0 引言

我国公路桥梁的发展日新月异，桥型不断增多，其中，矮塔斜拉桥又被称为部分斜拉桥，它综合了连续梁(刚构)桥和斜拉桥的结构特点，桥塔相比常规斜拉桥矮了一半左右，具有跨越能力大、主梁刚度大、施工方便、节省材料、景观效果好等优点，是一种刚柔兼备的新型桥梁[1-2]。矮塔斜拉桥的斜拉索数量比普通斜拉桥的少，但能承担部分荷载提高主梁的受力性能和抗疲劳能力，减少主梁材料的使用量和结构自重。而在实际运营中，斜拉索常处于高应力状态[3]，加上长期受车辆荷载、风荷载、高强钢丝延性下降、雨水侵蚀等影响，若养护不当或未及时更换，极易存在斜拉索失效、断裂等风险，而且斜拉索突然断裂会引起桥梁结构产生不平衡的动力响应，并出现连续断索现象[4]，对行车安全和结构稳定性造成较大影响。

近几年国内外学者对斜拉索断裂进行了较多研究。黄华等[5]研究双钢拱塔斜拉桥单根断索和双根断索分别对主梁线形、剩余拉索索力、主梁及索塔应力的影响，得出不同断索位置对主梁的位移、应力变化规律，越靠近断索处的拉索索力增量越大，双根断索符合单独单根断索的叠加原理；张建等[6]基于结构瞬态动力方法，分析不同位置断索对大跨斜拉桥加劲梁弯矩和位移的影响，发现跨中合龙段附近断索会使主梁弯矩增幅较大，为最不利工况；梅晓亮[7]以桥梁承载力为指标来评价断索对异形斜塔斜拉桥的影响，得出主跨承载力受断索的影响大于边跨，同时与加载方式和断索位置有关；刘扬等[8]基于斜拉索抗力退化概率模型，结合工程实例，研究出腐蚀和疲劳对结构可靠度的影响规律。上述文献研究的是常规斜拉桥或异形斜拉桥的断索情况，而鲜有学者研究矮塔斜拉桥的断索效应。因此，本文对浙江某矮塔斜拉桥建立有限元模型，分析单侧单束断索和双侧对称断索两种工况断索对桥梁结构的力学响应。

1 工程背景

本文以浙江某矮塔斜拉桥为工程背景，该桥总长为710 m，桥面宽为36 m，采用单索面三塔四跨形式，桥跨布置形式为(140+2×225+120)m；主梁采用预应力混凝土变截面箱梁(单箱三室)，桥塔为人字形钢筋混凝土结构，7#、9#边塔高为35 m，8#主塔高为45 m，桥墩为双肢矩形薄壁墩(3.1 m×1.8 m)，桥塔与桥墩固结；主梁、桥塔和桥墩采用C60混凝土，承台、桩基均采用C30混凝土；斜拉索布置为内侧单面双排索，单根采用φ15.2 mm钢绞线，fpk=1 860 MPa，弹性模量Ep=1.95×105MPa，全桥共108束斜拉索。桥型布置如图1所示。

图1 桥型立面布置(单位:cm)

2 有限元建模

使用桥梁有限元软件Midas/Civil对该桥建立整体空间模型，如图2所示。主梁、桥塔、桥墩、承台和桩基均采用空间梁单元模拟；将斜拉索视为线弹性材料，使用仅受拉的桁架单元进行模拟，即只考虑初拉力，忽略垂度的折减效应。桥塔与主梁、斜拉索与主梁、主梁与桥墩的连接均使用弹性连接中的刚性进行模拟，桥墩与承台、承台与桩基采用刚性连接，边跨支座位置使用一般支承，桩底固结并采用等效土弹簧模拟桩-土作用，弹簧刚度按“M”法计算[9]。静力荷载主要有结构自重、钢束预应力、混凝土湿重、挂篮自重和二期恒载等。此模型共有2 099个节点、1 096个梁单元和108个桁架单元。

图2 矮塔斜拉桥有限元模型

3 断索效应研究

表1 断索效应分析工况

3.1 单侧单束断索研究

根据工况1，分别记录断裂拉索后的各指标值。为考虑断裂侧和未断裂侧索力变化的区别，绘制单侧单束断索后的断索侧和未断索侧的索力变化，如图3和图4所示，其中被断裂的斜拉索索力为空值。同时考虑主塔(8#)和边塔(7#、9#)的塔顶位移变化，如表2所示。桥梁弯矩如图5所示，该桥最大正弯矩出现在主梁跨中，因此分析断索侧和未断索侧的主梁跨中弯矩变化来反映不同位置断索对主梁线形的影响，如图6所示。

图3 断索侧索力变化

图4 未断索侧索力变化

根据表2可知，主塔单侧单束斜拉索断裂对边塔的塔顶DX位移影响较小，而7#桥塔为近断索侧，因此7#塔顶的DX位移变化比9#塔顶明显，其中最大位移变化量为4.98 mm(S18断裂时)；主塔单侧单束斜拉索断裂对主塔DX位移的影响较大，且与拉索距桥塔的距离成正比，其中最大位移变化率为275.4%(S18断裂时)。

表2 单侧断索塔顶DX位移变化

图5 桥梁弯矩

图6 单侧断索跨中弯矩变化

根据图6可以发现，主塔单侧断索会使主梁跨中弯矩增大，其中断索侧的跨中弯矩增长幅度大于未断索侧，最外侧的斜拉索S18对跨中弯矩影响最大。

3.2 双侧对称断索研究

与单侧单束断索同理，根据工况2分析得出主塔双侧对称断索后的索力变化、塔顶DX位移变化、跨中弯矩变化分别如图7、表3和图8所示。

图7 对称断索索力变化

由图7可以发现，主塔双侧对称断索会使其他斜拉索的索力增大，但总体增幅较小，其中S1和S5对称断索时，S9索力增量最大；S9和S18对称断索时，S14索力增量最大；S18对称断索时，S14索力增量最大。该结果与单侧断索相同，但对称断索的增量较小，断索后S1～S18的索力变化趋势与断索前基本相同。

根据表3可知，双侧对称断索对主塔的塔顶DX位移影响较小，最大变化率仅为2.7%(S18断裂时)；对边塔的影响较大，位移量和变化率随拉索与桥塔距离的增大而增大，7#、9#桥塔的位移变化率接近，最大变化率均在S18断裂时发生，分别为10.9%和11.4%。

表3 对称断索塔顶位移变化

图8 对称断索跨中弯矩变化

通过图8可以发现，双侧对称断索使主塔两侧主梁跨中弯矩增大，并且左侧和右侧的增长趋势相同，证明主梁跨中弯矩变化均匀，S18对称断裂时跨中弯矩增量最大；左侧主梁跨中弯矩比右侧大，是由于左侧边跨较大的影响，与本试验控制数据无关。

4 结论

本文依托浙江某矮塔斜拉桥，建立Midas/Civil有限元模型，分析了单侧单束断索和双侧对称断索对斜拉索索力、塔顶DX位移、主梁跨中弯矩的影响，得到以下结论：

(1)断索会使其他斜拉索索力增大，发生索力重分布，单侧单束断索对断索侧的索力影响较大，对未断索侧的影响较小；双侧对称断索对主塔两侧的索力变化影响相同，即对称断索后斜拉索仍然处于平衡态，但未断拉索的索力有所增大。

(2)单侧单束断索对主塔的塔顶DX位移影响较大，对边塔的影响较小，双侧对称断索与前者相反。

(3)断索会使主梁跨中弯矩增大，其中单侧单束断索对断索侧跨中弯矩影响较大，对未断索侧影响较小；双侧对称断索时，主塔两侧跨中弯矩增长趋势相同。

(4)最外侧的斜拉索断裂对其他拉索索力、塔顶DX位移、主梁跨中弯矩的影响均为最大，因此在实际桥梁运营中，应注重保护外侧斜拉索，避免出现断索影响桥梁安全。