钢管混凝土系杆拱桥吊杆损伤对索力变化的影响研究

钢管混凝土系杆拱桥吊杆损伤对索力变化的影响研究

张庆森

（中国铁路上海局集团有限公司宁波工务段，浙江宁波 315000）

摘要：随着铁路发展，钢管混凝土系杆拱桥在运营铁路中大量运用，而吊杆作为系杆拱桥主要受力构件，其损伤对铁路运营安全造成一定危害，因此对吊杆损伤位置及程度进行及时、准确、有效识别尤为重要。文章以一座跨度为96m下承式钢管混凝土系杆拱桥为依托背景，利用MIDAS/Civil建立有限元模型，采用弹性模量折减方法，分别模拟计算了典型吊杆损伤对全桥吊杆索力变化影响，并通过数据分析及总结，探求通过吊杆索力变化来识别吊杆伤损程度及伤损位置方法，今后可为类似钢管混凝土系杆拱桥吊杆损伤识别提供借鉴。

关键字：钢管混凝土系杆拱桥；吊杆损伤；索力变化；有限元；

1 引言

系杆拱桥吊杆钢索引起损伤的主要原因有强度超限、疲劳作用以及外界环境腐蚀等，现场具体表现形式有钢索断裂、锈蚀，锚固失效、钢索屈服等。正常系杆拱桥吊杆设计安全系数取值大于等于2.5，运营过程中因超载引起的吊杆强度破坏概率很小，尤其是铁路桥梁，一般情况吊杆的破坏均由疲劳与腐蚀共同作用引起，同时对于东南沿海强腐蚀环境的铁路桥梁而言，吊杆腐蚀引起的破坏可能性较大。

本文以运营系杆拱桥为研究背景，采用弹性模量折减的方式，模拟分析吊杆损伤后的受力状况并进行总结，对吊杆损伤的评估具有借鉴意义。

2 研究模型建立

2.1 桥梁概况

本文采用的工程实例为下承式简支钢管混凝土系杆拱桥，主桥计算跨径为96m，系梁采用等高单箱三室预应力混凝土截面；拱肋采用哑铃型钢管混凝土结构，立面失高投影为7.256m，矢跨比3/5，横桥向内倾8°提篮拱，设“一字”、“K字”橫撑；全桥设置吊杆13对，平行布置，间距6m，为PES(FD)7-151成品索，抗拉强度标准值为1670 MPa，疲劳应力幅200 MPa，采用冷铸镦头锚具，双层HDPE护层。

2.2 有限元模型的建立

为全面、准确分析工程实例系杆拱桥的力学特性，本文采用有限元软件MIDAS/Civil建立了全桥仿真模型，其中吊杆采用桁架单元进行模拟，哑铃型钢管混凝土拱肋截面采用双单元进行模拟，其它结构杆件采用共用节点梁单元进行模拟，吊杆损伤通过减小材料特性中的弹性模量进行模拟分析。

3 计算与分析

钢管混凝土系杆拱桥吊杆损伤后会引起有效截面变化进而引起吊杆内力及频率发生变化，但局部吊杆损伤或断裂对整桥的自振特性影响很小[1]，本文仅针对吊杆损伤对索力变化的影响进行静力分析，探寻吊杆不同程度损伤后内力重分配的一般规律，进而提出根据索力变化值判断吊杆损伤程度的一般方法，为铁路桥梁运营养护提供判断依据[2]。

3.1 分析工况确定

系杆拱桥在实际运营过程中，受各因素影响，其吊杆损伤位置及损伤程度无法确定并预测，模拟计算无法列举所有吊杆损伤组合。根据构件的重要性系数和结构灵敏度两方面的鲁棒性指标分析，认为拱脚位置处、1/8跨、1/4跨和拱顶截面处对应的吊杆损伤后对结构的影响相对较大[3]，因此在模拟分析时将上述截面作为控制截面，同时为分析吊杆损伤对结构受力特性影响，吊杆损伤程度采用材料弹性模量折减的方法进行模拟[4]。本文根据工程实例的结构特点，分别计算了在无外荷载（风荷载、活载、温度荷载等）影响情况下吊杆完好状态和7种模拟损伤工况下的结构受力，具体工况如下：

工况1：吊杆完好；

工况2：拱脚处单侧单根吊杆（D’1）损伤10％；

工况3：1/8跨处单侧单根吊杆（D’2）损伤10％；

工况4：1/4跨处单侧单根吊杆（D’4）损伤10％；

工况5：1/2跨处单侧单根吊杆（D’7）损伤10％；

工况6：1/8跨处单侧两根相邻吊杆（D’3、D’4）同时损伤10％；

工况7：1/2跨处单侧两根相邻吊杆（D’6、D’7）同时损伤10％；

工况8：1/2跨处单侧单根吊杆（D’7）分别损伤5％、10％、20％、30％、40％、50％。

3.2 计算结果及分析

本节中，吊杆索力变化值=吊杆损伤后索力值-对应点吊杆完好情况下索力值；吊杆索力变化率=吊杆索力变化值/对应点吊杆完好情况下索力值。为直观反映各工况下索力变化情况，根据计算结果绘制索力变化分布曲线，其中横坐标表示吊杆位置，纵坐标表示吊杆索力变化率，工况2-工况7索力变化曲线见图1-图6。

图1 D’1吊杆损伤10％                          图2 D’2吊杆损伤10％

图3 D’4吊杆损伤10％                 图4 D’7吊杆损伤10％

图5D’3、D’4吊杆损伤10％             图6 D’6、D’7吊杆损伤10％

从图 1至图6可以总结出以下的结论或规律：

(1)单根吊杆损伤后对自身吊杆及同侧邻近吊杆索力影响比较大，吊杆损伤后，该吊杆索力会迅速减少，在吊杆分布曲线上会出现一个明显极值，同侧附近其他吊杆索力会略微增大，其中间隔三根吊杆影响较大，相邻吊杆索力平均变化率为2.2％。离损伤吊杆距离越远，影响程度越小，远端吊杆索力变化几乎为0。单根吊杆损伤后，异侧损伤吊杆附近的吊杆索力有小幅度变化，其他吊杆索力几乎无变化

[5]。

（2）通过曲线对比，单根吊杆从端部损伤到跨中损伤，损伤吊杆索力最大变化值逐渐增大，且索力变化率呈变大趋势，端部吊杆损伤相对于跨中位置吊杆损伤，索力变化程度要小。在吊杆损伤程度达10％的情况下，D’1吊杆索力变化值为-107.8KN，索力变化率为-7.11％；D’2索力变化值为-139.3KN，索力变化率为-6.99％；D’4索力变化值为-166.4KN，索力变化率为-7.21％；D’7索力变化值为-172.9KN，索力变化率为-7.36％。可以看到，损伤吊杆索力变化率小于损伤程度10％。

（3）由图5、图6可见，当相邻两根吊杆同时损伤时，其吊杆索力平均降低5％，且损伤吊杆越靠近跨中，索力变化程度越大。损伤吊杆同侧相邻吊杆索力平均增大3.4％，异侧也是损伤吊杆附近的吊杆索力略微增大，其余吊杆索力基本无变化。

除此之外，工况8研究了吊杆不同损伤程度与吊杆索力变化率之间的关系，图7为D’7吊杆在不同损伤情况下索力变化情况。由图可见，吊杆索力的变化率与吊杆的损伤程度呈线性关系，且索力变化率接近但不大于吊杆的损伤程度。

图7  D’7吊杆不同程度损伤与索力变化率关系

通过上述有限元相关数据分析及规律总结，可利用下述方法对系杆拱桥无荷载作用下吊杆损伤情况识别。当检测吊杆索力减少时，其索力变化率大致与损伤程度相当；当检测吊杆索力增加2％以上，即可判断相邻吊杆存在单根吊杆损伤；当检测吊杆索力增加3％以上，说明该区域吊杆存在连二损伤或普遍存在损伤。

4 结论

（１）吊杆损伤对索力影响具有局部效应，即吊杆损伤后，该吊杆索力会减低，而附近同侧三根吊杆索力会略有增加，且对同侧其余吊杆及异侧吊杆索力影响较小，基本不变。端部吊杆损伤相对于跨中位置的吊杆损伤，索力变化程度要小，从端部至跨中，损伤吊杆索力最大变化值会逐渐增大。以此可反向识别吊杆损伤的大致位置。

（2）吊杆损伤程度与吊索索力变化率呈线性关系，随着损伤程度的增大，该吊杆索力的变化率呈线性增大，且吊杆损伤后的索力变化率小于且接近于其损伤程度，以此可根据索力变化率大致判断吊杆损伤程度。

（3）当相邻两根吊杆同时出现伤损时，其吊杆索力变化值相对单根吊杆损伤后索力变化值要小，当检测发现吊杆索力增加3％以上，可大致判断该区域吊杆存在连二损伤或普遍存在损伤。

（4）以上结论对于少数吊杆出现损伤时，可以精确判断损伤吊杆位置，并可大致了解吊杆损伤程度。

参考文献：

[1]王素娟.钢管混凝土拱桥模型的设计和损伤静动力分析[D].汕头:汕头大学,2007.

[2]殷学刚,姚建军.中承式拱桥吊索损伤对吊索静张力的影响[J].中国公路学报,2004(1)：45-48.

[3]张旭.钢管混凝土拱桥受力性能及吊杆损伤的影响研究[D].石家庄:石家庄铁道大学,2021.

[4]张龙,谢官模.铜瓦门大桥吊杆损伤对索力变化的影响研究[J].交通科技, 2014(4): 21-23.

[5]谭亚杰.中承式钢管混凝土拱桥吊杆损伤破断安全研究[D].长沙：长沙理工大学,2021.