車載作用下矮塔斜拉橋拉索疲勞性能研究

陳澤

（長沙理工大學土木與建筑學院，湖南長沙 410004）

車載作用下矮塔斜拉橋拉索疲勞性能研究

陳澤

（長沙理工大學土木與建筑學院，湖南長沙 410004）

以國內某矮塔斜拉橋為研究背景，在假定“疲勞車”交變應力作用下，利用MIDAS/Civil對該橋模型進行車輛荷載移動時程分析，得到恒載及活載共同作用下拉索的時變應力；依據疲勞線性累積損傷理論，證明了僅在車載作用下矮塔斜拉橋拉索的應力幅非常小，能經歷規范規定的200萬次循環荷載作用而不會發生疲勞破壞。

橋梁；車輛荷載；部分斜拉橋；斜拉索；疲勞性能

與其他斜拉橋相比，矮塔斜拉橋的塔高降低一半以上，梁的剛度增大，其受力特點是斜拉索承擔約30%的荷載。因此，斜拉索在車載、風載等活載的共同作用下容易產生疲勞損傷，當損傷累積達到一定程度時將會發生疲勞破壞。由于條件限制，該文僅對車載作用下國內某矮塔斜拉橋拉索的疲勞性能進行研究。

1 工程概況

某五跨四塔矮塔斜拉橋，橋跨布置為128 m+3 ×210 m+128 m。其主要技術標準為：雙向六車道高速公路；公路-Ⅰ級設計荷載；設計行車速度100km/h；地震動峰值加速度為0.05g。主橋橋型布置見圖1。

圖1　主橋橋型布置示意圖（單位：m）

采用MIDAS/Civil建立該橋模型，全橋結構分為主墩、基礎、主塔、主梁、斜拉索五部分，斜拉索在主塔上的連接以剛性連接進行建模；主梁上為了更好地模擬車輛荷載，結構中選擇以無重量及剛度為無窮大的虛擬梁進行連接。全橋由782個節點和839個單元組成（見圖2）。

圖2　大橋有限元模型

2 疲勞荷載譜的獲取

2.1車載作用下拉索的時變應力

斜拉索常年裸露在外，在車載、風載等活載作用下易發生疲勞破壞。這里只對拉索疲勞影響最大的車載進行研究。當車輛按照一定的速度駛過橋面時，其對斜拉索產生的作用隨著時間改變。要輸入全部橋面節點隨時間改變的荷載，工作量非常大，且不必要。該文要研究的是車載作用下拉索的疲勞問題，只要按拉索的內力影響線在其受力較大的橋面節點位置輸入車輛時變荷載即可。該橋是對稱的，故選取1、2號主塔的斜拉索（單元號576～639）為研究對象。1、2號主塔斜拉索單元號見圖3，拉索內力影響線見圖4和圖5。

圖3　1、2號主塔斜拉索單元號示意圖

圖4　576號單元內力影響線

圖5　639號單元內力影響線

根據單元內力影響線，1、2號主塔斜拉索影響最大的位置為各跨跨中位置，并且塔根處車載對斜拉索內力的影響極小，可不考慮。因此，只需輸入各跨跨中位置附近各橋面節點的時變荷載。

為簡化起見，把1輛主車簡化成1個集中荷載，1輛重車簡化成2個集中荷載。將主車和重車組成一列車隊，該車隊中重車數為1輛，各主車之間的距離為20 m，并勻速（v=20 m/s）行駛（見圖6）。

圖6　簡化車輛荷載示意圖（單位：荷載為k N，其他為m）

該橋設計為雙向六車道，考慮橫、縱向折減系數（分別為0.55、0.97）和動力系數μ，各個數據乘以0.55×0.97×（1+μ）×2=0.55×0.97×1.05×2= 1.12即可將其轉換為六車道車輛荷載。通過各橋面節點的時程函數將車輛隨時間變化的荷載作為節點動力荷載輸入模型，對模型進行移動時程分析，得到斜拉索在該車列經過橋面時的時變應力。1、2號主塔上斜拉索的時變應力見圖7～10。

圖7　1號主塔左側斜拉索時變應力曲線

圖8　1號主塔右側斜拉索時變應力曲線

圖9　2號主塔左側斜拉索時變應力曲線

圖10　2號主塔右側斜拉索時變應力曲線

2.2恒載及活載共同作用下拉索的時變應力

以上斜拉索的時變應力只考慮了車載的作用，而車載對斜拉索應力的影響不是最大的，最主要的是恒載作用。把荷載作用下的常幅應力與車載作用下的交變應力疊加，可得到斜拉索的疲勞交變應力。選取對疲勞影響最大（應力幅最大）的602號斜拉索進行研究，其應力時程曲線見圖11。

圖11　602號斜拉索應力時程曲線

3 矮塔斜拉橋拉索的疲勞性能分析

當一列車隊經過橋面時，602號斜拉索的損傷度見表1。因沒有詳盡的斜拉索在不同應力比下模擬試驗的S-N曲線，根據GB 50017-2003《鋼結構設計規范》第6.2.1條的規定，對于無連接處的主體金屬，其參數C=1 940×1012、β=4，則根據N= C/（Sa為應力幅；m=β=4）可得到破壞循環次數Ni。

表1中模擬的是一列車隊中只有1輛重車，實際上重車的數量在一列車隊中是隨機的。使用MATLAB軟件隨機生成1組均值為2、標準差為3的數列，除去該數列的負數隨機數，取該數列前100個隨機數列作為一列車隊中重車數量的隨機數列，得該100列車隊中重車總數為144輛，含有重車的車列為72列。當前100列車隊駛過橋面時，602號斜拉索的損傷度見表2。

按照疲勞線性累積損傷理論，當第100列車之后的車列駛過橋面時，各個車列對斜拉索的損傷度可以按前100次總損傷度的1%來計算。設總的車隊列數為N，則第100列車隊以后602號斜拉索的損傷度總和為（N-100）×（2.58×10-11）/100。按照疲勞破壞的極限狀態方程，取累計損傷度a= 1，則可求出602號斜拉索能夠經歷的車隊列數：

表1　一列車隊經過橋面時602號斜拉索的損傷度

表2　前100列車隊經過橋面時602號斜拉索的損傷度

4 結論

在假定“疲勞車”交變應力作用下，該矮塔斜拉橋拉索最少能經歷1012次應力循環，遠遠超過規范中規定的2×106次應力循環，不會發生疲勞破壞。表明僅在車載交變應力作用下，矮塔斜拉橋拉索的應力幅非常小，也說明矮塔斜拉橋設計時拉索應力強度按0.6σu（拉索的抗拉標準強度）設計合理。

［1］ 楊美良，李波，張建仁.車輛荷載作用下部分斜拉橋拉索疲勞可靠度研究［J］.公路交通科技，2007，24（12）.

［2］ 何震.部分斜拉橋車載疲勞研究及索塔錨固分析［D］.武漢：華中科技大學，2007.

［3］ 劉揚，楊剛，馬寧，等.車輛荷載下長山大橋斜拉索以及塔梁墩連接處疲勞分析［J］.大連海事大學學報，2015，41（2）.

［4］ 邱敏，高寧妥，覃巍巍，等.三官漢江矮塔斜拉橋索塔節段模型試驗研究［J］.預應力技術，2014（5）.

［5］ 孫向東.江肇高速西江大橋寬幅脊梁矮塔斜拉橋設計［J］.公路，2010（5）.

［6］ 劉沐宇，涂開智，孫向東，等.基于疲勞可靠度矮塔斜拉橋拉索容許應力分析［J］.武漢理工大學學報，2009，31（14）.

［7］ 朱殷橋，姚國文.鋼絞線腐蝕疲勞試驗方法與損傷評定研究［J］.公路與汽運，2014（2）.

［8］ 鄭萬山，唐光武，鄭罡，等.蘇通大橋斜拉索拉彎疲勞試驗研究［J］.公路交通技術，2010（4）.

［9］ 胡曉.隨機車流作用下大跨度斜拉橋振動響應分析［D］.長沙：長沙理工大學，2013.

［10］ JTG D60-2004，公路橋涵設計通用規范［S］.

U448.27

A

1671-2668（2016）05-0156-03

2016-03-14