某長江大橋抗風聯(lián)桿彎曲破壞成因分析

周燕其 謝玉潔

(1.中國中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031;2.西南電力設計院，四川成都 610021)

0 引言

筆者參加了某長江大橋的定期檢測及荷載試驗，發(fā)現(xiàn)懸索橋桁架梁抗風聯(lián)桿存在彎曲破壞現(xiàn)象，而這一問題的成因至今沒有定論。本文通過對抗風聯(lián)桿的彎曲破壞分布規(guī)律、荷載試驗、結構計算和協(xié)調變形等多方面進行分析，探討抗風聯(lián)桿的彎曲破壞原因。

1 工程概況及抗風聯(lián)桿現(xiàn)狀調查

1.1 工程概況

某長江大橋長1 199.73 m，主橋為單跨560 m鋼管桁架懸索橋，理論垂跨比為1/10.5，主纜中心距離為19.50 m，高塔薄壁，隧道式錨碇和巖錨。橋面設計寬度:凈15 m+2×1.5 m。設計荷載等級:汽—超20級，掛—120，人群荷載3.5 kN/m2。桁架梁采用空間鋼管桁架，上下弦管間中心高3.3 m，中心寬19.5 m，桁架主弦管采用16 Mn直縫焊接鋼管或無縫鋼管，外徑325 mm，壁厚12 mm～14 mm;腹桿及下橫梁采用無縫鋼管，外徑152 mm，壁厚10 mm～12 mm;上橫梁采用焊接工字鋼;抗風聯(lián)桿采用無縫鋼管，外徑108 mm，壁厚6 mm。全橋共分35個吊裝節(jié)段，單個吊裝節(jié)段內的所有桿件均采用直接電焊連接，組成空間桁架體系。加勁梁由三角架單元組合，采用分節(jié)段工廠加工，吊裝施工的方法。除1號吊裝段長為12.55 m外，其余節(jié)段長均為16.20 m，吊裝節(jié)段最大重量約40 t，節(jié)段間采用高強螺栓——摩擦型拼接。桁架梁標準吊裝節(jié)段見圖1，半跨桁架梁抗風聯(lián)桿(圖中斜桿)布置圖見圖2。

圖1 桁架梁標準吊裝節(jié)段示意圖（單位：mm）

1.2 抗風聯(lián)桿現(xiàn)狀調查

據(jù)大橋的養(yǎng)管人員介紹，上聯(lián)抗風聯(lián)桿彎曲破壞現(xiàn)象最早發(fā)現(xiàn)于2003年，最先出現(xiàn)在南半跨，后來北半跨也逐漸出現(xiàn)此現(xiàn)象。對比2006年和2011年檢測報告，上聯(lián)抗風聯(lián)桿彎曲破壞現(xiàn)象無明顯變化。

圖2 半跨桁架梁上平聯(lián)抗風聯(lián)桿布置圖

2011年檢測報告顯示，北半跨桁架梁有較多上聯(lián)抗風聯(lián)桿彎曲破壞，其中明顯彎曲的上聯(lián)抗風聯(lián)桿有18根，約占該半跨上聯(lián)抗風聯(lián)桿總量的6%;南半跨上聯(lián)抗風聯(lián)桿彎曲破壞比北半跨嚴重，明顯彎曲的上聯(lián)抗風聯(lián)桿有45根，約占該半跨上聯(lián)抗風聯(lián)桿總量的15%。大多數(shù)上聯(lián)抗風聯(lián)桿豎向彎曲(上彎或下彎)，少量水平向彎曲，且大多位于靠近桁架梁節(jié)段接頭處。實測抗風聯(lián)桿的彎曲量值大多為4 cm，最大有8.2 cm。

2 抗風聯(lián)桿彎曲破壞原因分析

2.1 荷載試驗

2011年檢測報告顯示，荷載試驗選取1/8跨、1/4跨、1/2跨三個控制截面，分別進行了Ⅰ—3，Ⅰ—2，Ⅰ—1荷載試驗工況加載，來測試桁架梁的受力狀況。由于篇幅受限，具體的加載方式本文不再贅述，摘取部分荷載試驗工況的抗風聯(lián)桿應力值如表1所示。

表1 荷載試驗工況的抗風聯(lián)桿應力值 MPa

由表1可以得知，荷載試驗的實測應力和有限元模型的計算應力基本上是一致的，證實了有限元模型是可靠的。在上述荷載試驗工況下，上聯(lián)抗風聯(lián)桿的實測應力增量為 －5.1 MPa～2.4 MPa，下聯(lián)抗風聯(lián)桿的實測應力增量為 38.8 MPa ～68.1 MPa，應力增量很小。

2.2 結構計算

2.2.1 有限元模型

采用空間有限元分析軟件Midas/civil建立橋梁主跨結構的空間有限元模型，主纜和吊桿采用索單元，主塔和加勁梁采用空間梁單元，橋面板采用板單元。全橋共分6 847個單元、1 847個節(jié)點，其中索單元280個，梁單元5 879個，板單元688個。

2.2.2 計算結果

選取了正常使用條件下，幾個典型的使用荷載工況，使用荷載工況下聯(lián)抗風聯(lián)桿應力值見表2。

表2 使用荷載工況下抗風聯(lián)桿應力值MPa

在上述幾個典型的使用荷載工況下，上聯(lián)抗風聯(lián)桿應力為－9.5 MPa～10.9 MPa，下聯(lián)抗風聯(lián)桿應力為 － 128.0 MPa ～212.7 MPa，均小于Q235材料的屈服應力，抗風聯(lián)桿不會彎曲破壞。

2.3 協(xié)調變形

2.3.1 材料特性

我們知道不同材料的溫度線膨脹系數(shù)和彈性模量不一樣，那么溫度變化或受力時會產生不協(xié)調變形。本橋桁架梁抗風聯(lián)桿為A3鋼(Q235)，溫度線膨脹系數(shù) α =1.2×10－5/℃，彈性模量ES=2.06×105;桁架梁上、下弦桿和腹桿為16 Mn鋼(Q345)，溫度線膨脹系數(shù) α =1.2 ×10－5/℃，彈性模量 ES=2.1 ×105。有限元模型計算是已經(jīng)考慮不同材料的材料特性，由此也排除了材料特性差異產生的不協(xié)調變形導致抗風聯(lián)桿彎曲破壞。

2.3.2 施工誤差

有限元模型計算是基于理想狀態(tài)假設，即材料特性均勻、連續(xù)，結構桿件間連接均勻、有效，橋梁線形符合設計狀態(tài)等一系列理想狀態(tài)假設。實際情況下難免存在施工誤差。單個桁架節(jié)段的焊接、安裝可能存在誤差，而且材料特性本身也可能不均勻、不連續(xù)。施工單位拼裝桁架節(jié)段可能存在誤差，而且結構桿件間連接也可能不均勻、失效。成橋線形可能不符合設計狀態(tài)。

檢測報告表明確實存在施工誤差。鋼管桁架梁分南、北半跨由兩家不同廠家生產。有兩根上橫梁的下翼緣扭曲變形，個別抗風聯(lián)桿端部連接存在缺陷。成橋線形不符合設計狀態(tài)(橋面線形最大偏離89 mm，主纜線形最大偏離339 mm)。結構受力不符合設計狀態(tài)(個別吊桿內力最大偏差21%)。

上述施工誤差均可能導致有限元模型部分失真，不能反映抗風聯(lián)桿的真實受力狀況。

3 結語

通過對抗風聯(lián)桿的彎曲破壞分布規(guī)律、荷載試驗、結構計算和協(xié)調變形等多方面進行分析，探討抗風聯(lián)桿的彎曲破壞成因，得出以下幾點:

1)抗風聯(lián)桿的彎曲破壞出現(xiàn)時間具有一定的規(guī)律性。通車2年后彎曲出現(xiàn)(筆者推測通車后即出現(xiàn))，先南半跨，后北半跨。通車5年和10年的檢測報告顯示，兩次檢測上聯(lián)抗風聯(lián)桿彎曲破壞無明顯變化，表明2年～5年彎曲發(fā)展，5年后彎曲穩(wěn)定。

2)抗風聯(lián)桿的彎曲破壞空間分布具有一定的規(guī)律性。上、下分布不均:上聯(lián)抗風聯(lián)桿彎曲破壞，下聯(lián)抗風聯(lián)桿未出現(xiàn)彎曲破壞。南、北半跨分布不均:北半跨明顯彎曲的上聯(lián)抗風聯(lián)桿有18根，約占該半跨上聯(lián)抗風聯(lián)桿總量的6%;南半跨明顯彎曲的上聯(lián)抗風聯(lián)桿有45根，約占該半跨上聯(lián)抗風聯(lián)桿總量的15%。節(jié)段內分布不均:彎曲桿件大多位于靠近桁架梁節(jié)段接頭處。

3)抗風聯(lián)桿的彎曲破壞方向具有一定的規(guī)律性。多數(shù)桿件為豎向彎曲(上彎或下彎)，少量桿件為水平彎曲。

4)檢測報告表明:鋼管桁架梁分南、北半跨由兩家不同廠家生產;有兩根上橫梁的下翼緣扭曲變形，個別抗風聯(lián)桿端部連接存在缺陷;成橋線形不符合設計狀態(tài)，結構受力不符合設計狀態(tài)，表明該橋確實存在上述施工誤差。

5)荷載試驗表明:荷載試驗的實測應力和有限元模型的計算應力基本一致，證實了有限元模型是可靠的。在荷載試驗工況下，上聯(lián)抗風聯(lián)桿的實測應力增量為－5.1 MPa～2.4 MPa，下聯(lián)抗風聯(lián)桿的實測應力增量為38.8 MPa～68.1 MPa，應力增量很小。

6)結構計算表明:幾個典型的使用荷載工況下，上聯(lián)抗風聯(lián)桿應力為－9.5 MPa～10.9 MPa，下聯(lián)抗風聯(lián)桿應力為 －128.0 MPa～212.7 MPa，均小于Q235材料的屈服應力，由此排除了使用荷載工況抗風聯(lián)桿設計強度不足導致彎曲破壞。

7)材料特性表明:桁架梁抗風聯(lián)桿和上下弦桿、腹桿的溫度線膨脹系數(shù)和彈性模量差異不大，而且有限元模型計算已經(jīng)考慮了不同材料的材料特性，由此也排除了材料特性差異產生的不協(xié)調變形導致抗風聯(lián)桿彎曲破壞。

由于抗風聯(lián)桿的剛度遠小于桁架梁的其他桿件，施工誤差產生的不協(xié)調變形會導致剛度最小的抗風聯(lián)桿首先出現(xiàn)彎曲破壞。檢測報告表明該橋確實存在施工誤差，而抗風聯(lián)桿的彎曲破壞出現(xiàn)的時間、空間分布規(guī)律也證實了施工誤差產生是導致抗風聯(lián)桿彎曲的主要原因。

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