吊桿斷裂對拱形人行天橋力學性能的影響

收稿日期：2024-03-22

作者簡介：丁代偉（1986—），男，碩士研究生，高級工程師，研究方向：橋梁與隧道。

摘要 為了研究吊桿斷裂對拱形人行天橋拱圈力學的影響。文章以某拱形人行天橋為研究對象，利用有限元軟件Midas Civil建立仿真模型，研究拱形人行天橋主拱圈的撓度以及應力變化規律。研究表明：吊桿斷裂對主拱圈撓度以及應力的影響是局部的，距離斷裂吊桿越近影響越大，距離越遠影響越小。

關鍵詞 拱橋；拱圈應力和撓度；吊桿斷裂

中圖分類號 U448.225文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）11-0051-04

0 引言

隨著城市化進程的加快和城市交通需求的增長，城市拱橋在連接道路、橋梁、交通樞紐等方面發揮著重要作用。吊桿作為拱橋的主要承重結構，在橋梁的運營期間承受多種荷載的往復作用，極易發生斷裂以及損傷，進而對橋梁安全產生潛在影響。因此，研究吊桿斷裂對于拱橋的影響非常重要。目前國內外對于拱橋的研究也越來越深，柴文浩[1]等以某鋼管混凝土系桿拱橋為研究對象，建立有限元模型，采用正裝迭代和倒拆相結合的方法計算其成橋索力，后與設計成橋索力相比較，驗證了有限元模型的正確性。然后分析了吊桿斷裂的數量及斷裂位置對主梁線形、剩余吊桿內力及拱肋應力的變化規律。殷學綱[2]等基于中承式拱橋的有限元建模，考慮吊索損傷對吊索拉伸剛度的影響，運用一階矩陣攝動理論，采用剛性拱模型研究了中承式拱橋吊索損傷對吊索系靜張力的影響，導出了吊索系張力矢量因損傷變化的表達式，并用工程實例進行計算機仿真研究。陳國勝[3]以一座空間扭轉索面斜拉橋為工程背景，利用有限元軟件Midas Civil建立仿真模型，研究斜拉索單索、雙索斷裂對主梁線形的影響規律。劉劍鋒[4]等針對拱橋吊桿內部斷絲等現象，建立了不對稱斷絲后鋼絞線吊桿的損傷力學模型，分析推導了不對稱斷絲后鋼絲應變與影響長度、吊桿拉力損失率之間關系的表達式。徐宏[5]等采用有效橫截面積減小率模擬吊索損傷，通過仿真計算分析單根吊索和多根吊索發生不同程度損傷時，吊索系統靜拉力重分布規律。李彥兵[6]利用有限元仿真分析軟件Midas Civil建立了李家沱長江大橋有限元仿真模型，分別模擬了多種情況下斷索損傷情況，研究了斜拉索斷裂對主梁線形、索力大小、主梁應力及動力性能的影響。曾勇[7]等以某中承式鋼管混凝土拱橋為研究對象，綜合考慮了幾何非線性、荷載非線性等因素，對施工過程中拱肋吊裝的最大懸臂階段的空氣靜力穩定性進行了分析研究。利用Ansys有限元軟件建立了塔—索—梁一體化有限元分析模型，對半跨模型進行了最大懸臂狀態的靜力分析和穩定分析。王詩海[8]等采用Midas Civil軟件研究了不同等級風荷載對施工過程中大跨度鋼管混凝土拱橋的力學性能的變化，對鋼管混凝土拱橋的橫橋向位移、軸力、拉壓應力及拱腳處彎矩值的變化情況進行了分析。基于以上學者的研究，為進一步探索吊桿斷裂對拱形人行天橋拱圈的影響規律，該文以煙臺市某拱形人行天橋為工程背景，主要研究了拱形人行天橋主拱圈的撓度以及應力變化規律。

1 工程概況以及模型建立

煙臺市某人行天橋上跨道路，道路全寬為40.2 m。天橋主橋采用鋼拱肋+鋼箱梁的布置形式，兩端各連接梯道和坡道，其中主拱肋跨度90.73 m，主梁跨度為94.822 m，從拱頂到拱腳處，拱肋斷面寬度由0.8 m變化到1 m，高度從0.8 m變化到1.3 m。主拱頂底板厚均為16 mm，腹板厚度也為16 mm，拱肋橫隔板間距約為

1.2 m一道。吊桿順橋向間距2.4 m布置，橫橋向隨拱肋傾斜布置，全橋共設置19根吊桿，吊桿直徑為120 mm鋼吊桿，通過耳板上端與拱肋相連接，下端與主梁連接，天橋立面以及拱圈示意圖如圖1～2所示。

采用有限元軟件Midas Civil建立全橋模型，全橋共457個節點，525個單元，除了鋼吊桿采用桁架單元外，其余均采用梁單元，其中桁架單元19個，梁單元506個。有限元模型如圖3所示。

2 吊桿斷裂對拱圈力學性能的影響

2.1 工況選擇

由于拱橋屬于對稱結構，因此在進行吊桿斷裂影響分析時，選擇單側具有代表性的吊桿進行單獨斷裂，共計10個斷裂工況。組合斷裂選取DG1+DGL2、DGL5+DGL6、DGL9+DGL10三種工況，為方便分析，外荷載只施加自重、二期荷載，不施加溫度荷載、移動荷載、風荷載等，不考慮支座沉降。

2.2 吊桿斷裂對主拱圈撓度影響

分析了DG1、DGL3、DGL5、DGL7、DGL10五種不同位置吊桿單獨斷裂以及DG1+DGL2、DGL5+DGL6、

DGL9+DGL10三種吊桿組合斷裂對拱圈位移的影響。提取出不同工況下拱圈位移結果與不斷裂工況下拱圈位移做差值，計算結果如圖4～5所示。

通過分析五種不同位置吊桿單獨斷裂對拱圈位移的影響，可以得到以下結論：

（1）吊桿單獨斷裂對拱圈位移的影響是局部的，距離斷裂吊桿越遠，拱圈位移所受的影響越小，距離越近影響越大。如DG1斷裂時，邊跨處的拱圈位移差值曲線斜率絕對值很小，曲線變化趨于平緩。

（2）中跨處吊桿斷裂對拱圈整體位移影響較小，邊跨處吊桿斷裂對拱圈整體位移影響較大。如DG1斷裂時僅對斷裂吊桿處鄰近拱圈位移有影響，對全橋的拱圈位移影響不大；DGL10斷裂時，不僅對斷裂吊桿處鄰近的拱圈位移有影響，對另一側相同位置的拱圈位移也有影響。

（3）斷裂吊桿越靠近邊跨，對拱圈位移影響越大。如DG1斷裂時，拱圈的位移差值最大為0.7 mm，DGL10斷裂時，拱圈的位移差值最大為1.3 mm。

通過分析吊桿組合斷裂對拱圈位移的影響，可以得到以下結論：

（1）吊桿組合斷裂對拱圈位移的影響是局部的，距離斷裂吊桿越遠，拱圈位移曲線的斜率絕對值越來越小，拱圈位移所受的影響越小，距離越近影響越大。如DG1+DGL2組合斷裂時，邊跨處的拱圈位移差值曲線斜率絕對值很小，曲線變化趨于平緩。

（2）吊桿組合斷裂時，斷裂位置越靠近中跨對拱圈位移影響越大。如DG1+DGL2組合斷裂時拱圈的位移差值最大為1.9 mm；DGL9+DGL10組合斷裂時，拱圈的位移差值最大為1.3 mm。

2.3 吊桿斷裂對主拱圈應力影響

分析了DG1、DGL3、DGL5、DGL7、DGL10五種不同位置吊桿單獨斷裂以及DG1+DGL2、DGL5+DGL6、

DGL9+DGL10三種吊桿組合斷裂對拱圈應力的影響，計算結果如圖6～7所示。

通過分析吊桿單獨斷裂對拱圈應力的影響，可以得到以下結論：

（1）拱圈的應力曲線關于跨中處對稱，中跨處的應力變化曲線變化不大，越靠近邊跨曲線的斜率絕對值越大，應力曲線變化越明顯。

（2）吊桿單獨斷裂對拱圈應力的影響是局部的，距離斷裂吊桿越遠，拱圈應力所受影響越小，距離越近影響越大。

（3）吊桿越靠近中跨處斷裂，對鄰近拱圈應力影響越大；吊桿越靠近邊跨處斷裂，對鄰近拱圈應力影響越小。

通過分析吊桿組合斷裂對拱圈應力的影響，可以得到以下結論：

（1）拱圈的應力曲線關于跨中處對稱，中跨處的應力變化曲線變化不大，越靠近邊跨曲線的斜率絕對值越大，應力曲線變化越明顯。

（2）吊桿組合斷裂對拱圈應力的影響是局部的，距離斷裂吊桿越遠，拱圈應力所受影響越小，距離越近影響越大。

（3）吊桿組合斷裂對鄰近拱圈應力的影響大于吊桿單獨斷裂，且影響范圍也比單獨斷裂大。

（4）吊桿的組合斷裂越靠近邊跨對拱圈應力影響越小。吊桿的組合斷裂越靠近中跨處斷裂，對鄰近拱圈應力

（下轉第36頁）

（上接第53頁）

影響越大。

3 結論

通過研究吊桿斷裂對拱形人行天橋主拱圈的撓度以及應力的影響，得到以下結論：

（1）吊桿的單獨斷裂和組合斷裂對主拱圈撓度以及應力的影響都是局部的，距離斷裂吊桿越近影響越大，距離越遠影響越小。

（2）吊桿越靠近中跨斷裂對拱橋主拱圈的撓度以及應力的影響越大。

參考文獻

[1]柴文浩， 楊雅勛， 張宇航. 吊桿斷裂對系桿拱橋力學性能的影響[J]. 公路， 2021（9）： 174-179.

[2]殷學綱， 姚建軍. 中承式拱橋吊索損傷對吊索系靜張力的影響[J]. 中國公路學報， 2004（1）： 49-52.

[3]陳國勝. 拉索斷裂對空間扭轉索面斜拉橋主梁線形的影響研究[J]. 鐵道建筑， 2016（3）： 17-20.

[4]劉劍鋒， 李元兵， 張啟偉. 拱橋鋼絞線吊桿不對稱斷絲后的力學行為[J]. 同濟大學學報（自然科學版）， 2019（4）： 451-457.

[5]徐宏， 黃平明， 韓萬水， 等. 鋼管混凝土系桿拱橋損傷吊索系統內力重分布研究[J]. 世界橋梁， 2009（4）： 38-41.

[6]李彥兵. 大跨徑斜拉橋斷索危害性研究[D]. 重慶：重慶交通大學， 2014.

[7]曾勇， 莫磊. 靜風荷載作用下特大跨鋼管混凝土拱橋施工階段的穩定性分析[J]. 河南城建學院學報， 2022（3）： 1-7.

[8]王詩海， 唐咸遠， 李松敖. 不同風荷載作用對大跨度鋼管混凝土拱橋施工影響分析[J]. 廣西科技大學學報， 2020（4）： 33-40.