摘要：為研究拉索斷裂對鋼-混組合梁斜拉橋力學(xué)性能的影響，以某在建鋼-混組合梁斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘?，采用MIDAS/Civil建立有限元仿真模型，將該模型的各參數(shù)與設(shè)計(jì)值及現(xiàn)場實(shí)測值進(jìn)行對比以驗(yàn)證有限元模型的合理性，分析不同位置、不同數(shù)量的拉索斷裂后主梁線形、拉索索力及索塔位移的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：邊跨斷索對主梁撓度、索塔位移的影響大于主跨斷索，主跨斷索對拉索索力的影響大于邊跨斷索；長索斷裂對主梁線形、拉索索力、索塔位移的影響均為最大；拉索沿主梁跨中對稱斷裂時，主梁線形、拉索索力、主塔位移表現(xiàn)出對稱變化的規(guī)律，且兩對索斷裂時全橋索力符合疊加原理。

關(guān)鍵詞：鋼-混組合梁斜拉橋；力學(xué)性能；拉索斷裂；邊跨斷索；主跨斷索

中圖分類號：U441 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1008-0562（2024）02-0187-08

0 引言

鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁符合橋梁建設(shè)裝配化、綠色化及智能化的建設(shè)理念，具有良好的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。近年來，鋼-混組合梁斜拉橋以其整體受力的合理性、經(jīng)濟(jì)性、便于施工等突出優(yōu)點(diǎn)發(fā)展迅速。拉索作為鋼-混組合梁斜拉橋的主要受力構(gòu)件，在運(yùn)營過程中長期承受疲勞載荷以及自然環(huán)境侵蝕，是斜拉橋結(jié)構(gòu)體系中易受損的構(gòu)件之一。

許多學(xué)者對斜拉橋拉索損傷后的結(jié)構(gòu)性能展開了研究。ZHANG等以赤石特大橋火災(zāi)事故為工程實(shí)例，通過現(xiàn)場檢測和有限元分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)替換斷索的拉索被張拉至原設(shè)計(jì)張力時，受損橋梁的整體結(jié)構(gòu)性能恢復(fù)得較好，表明斜拉橋的整體性能主要由索控制。LIU等開發(fā)了腐蝕．磨損疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)，并進(jìn)行了腐蝕一磨損疲勞試驗(yàn)和不同試驗(yàn)參數(shù)的拉索對比試驗(yàn)，進(jìn)一步研究了損傷過程、斷裂機(jī)制、摩擦系數(shù)和拉索的使用壽命。HOANG等利用模型實(shí)驗(yàn)研究了受側(cè)向力影響而突然斷裂的斜拉索的振動行為，并用數(shù)值分析法研究了現(xiàn)有斜拉橋在斜拉索被橫向力突然斷裂的情況下的性能，結(jié)果表明，目前推薦的沖擊力不足，沖擊力系數(shù)分布在1.2～2.0之間；在斷裂過程中，索的拉應(yīng)力比初始應(yīng)力對沖擊力的影響更大。BAI等在考慮或不考慮斜拉索斷裂的兩種情況下分析了橋梁破壞過程和承載能力，得出兩種情況下結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)時的載荷系數(shù)分別為11.69和11.12。FU等研究了不同拉索更換順序?qū)澢鷳?yīng)變能的影響，結(jié)果表明，由于最長的拉索被移除，引起最大的梁應(yīng)力增大。WOLFF等、XIANG等通過非線性動力分析研究了拉索斷裂下結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)和動力放大系數(shù)，確定了拉索下垂、橫向振動和結(jié)構(gòu)阻尼的影響。張紹逸等提出在隨機(jī)車輛載荷作用下大跨徑斜拉橋拉索損傷診斷方法，研究表明在隨機(jī)車輛載荷作用下，主梁應(yīng)變數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，所提方法能夠有效判別斜拉橋拉索損傷。徐翔宇等提出了一種基于主成分分析的斜拉橋拉索損傷識別方法來實(shí)現(xiàn)斜拉索損傷識別，結(jié)果表明所提方法識別效果良好。譚冬梅等提出一種基于一元線性回歸模型和損傷概率的拉索損傷識別方法，結(jié)果表明，以構(gòu)建的一元線性回歸模型的參數(shù)作為損傷指標(biāo)，可分別對有限元模型和實(shí)時監(jiān)測斜拉橋的拉索損傷情況進(jìn)行有效識別。邢心魁等研究了不同長度、不同位置的拉索損傷對全橋索體索力、主梁線形變化的影響規(guī)律，結(jié)果表明當(dāng)多根拉索同時發(fā)生損傷時拉索的橫向?qū)ΨQ損傷對結(jié)構(gòu)的影響最大，原點(diǎn)對稱損傷影響最小。馬亞飛等、于剛等研究了構(gòu)件損傷對斜拉橋結(jié)構(gòu)靜力性能的影響及拉索不同程度損傷下的大跨徑斜拉橋易損性。鄭小博等采用反向加載模擬斜拉索斷裂的作用效應(yīng)，研究了斜拉橋在拉索不同斷裂時間下的動力響應(yīng)特征。

目前針對常規(guī)斜拉橋斷索的研究中，對鋼-混組合梁斜拉橋拉索斷裂后的力學(xué)行為研究較少。本文以某在建鋼-混組合梁斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘?，對組合梁斜拉橋拉索斷裂后的力學(xué)性能進(jìn)行分析，研究主梁線形、主塔位移及索力變化規(guī)律，為此類橋梁設(shè)計(jì)、施工、健康監(jiān)測及維修加固提供參考。

1 工程概況

某在建鋼-混組合梁斜拉橋，主橋采用雙塔三跨半漂浮體系，橋面按分離式雙向八車道設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)速度為80 km/h，主橋跨徑組合為（151+328+151）m。該橋橋塔立面見圖1。

橋塔采用菱形“雙子塔”，在兩聯(lián)塔與承臺之間設(shè)置鋼箱斜撐，其中南塔采用鋼箱混凝土，北塔采用純鋼箱；橋塔由變截面雙柱形成，塔柱采用單箱單室箱型截面。主梁采用鋼主梁與鋼筋混凝土橋面板共同受力的組合梁，二者通過剪力釘相結(jié)合。斜拉索采用空間扇形四索面布置，全橋共208根斜拉索；采用雙層HDPE防護(hù)的全防腐索體，Φ7 mm高強(qiáng)低松弛鍍鋅鋁合金鋼絲。

2 有限元模型

2.1 結(jié)構(gòu)有限元模型建立

采用橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件Midas/Civil 2019，以順橋向北岸側(cè)為X軸正方向建立鋼-混組合梁斜拉橋空間結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，全橋共劃分為1 831個離散節(jié)點(diǎn)，2 075個單元。索塔、橋墩、主梁采用空間梁單元，其中組合梁采用雙單元法模擬，斜拉索采用僅受拉桁架單元模擬。塔底、墩底邊界條件采用固結(jié)處理，斜拉索利用剛性連接分別與索塔、主梁相連，混凝土橋面板和剛主梁采用彈性連接-剛性相連。按照該橋?qū)嶋H施工方案，全橋共劃分111個施工階段；結(jié)合該橋設(shè)計(jì)說明，靜力載荷主要考慮結(jié)構(gòu)自重、二期載荷、混凝土收縮徐變、鋼束預(yù)應(yīng)力。根據(jù)該橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，取左幅橋梁分析在拉索斷裂情況下主梁線形、拉索索力、索塔塔偏的變化規(guī)律。左幅模型見圖2，拉索編號見圖3，主要材料特性見表1。

2.2 有限元分析模型驗(yàn)證

目前，該橋主塔已全部封頂，見圖4。結(jié)合施工現(xiàn)場測得數(shù)據(jù)，在主塔施工過程中南岸、北岸主塔上塔柱根部實(shí)測應(yīng)力分別為-2.63～0.38 MPa、-2.45～-0.22 MPa。所建有限元模型計(jì)算結(jié)果中，南岸主塔應(yīng)力范圍為-1.55～-0.02"MPa，北岸主塔應(yīng)力范圍為-2.4～0.52 MPa。南主塔現(xiàn)場實(shí)測值及有限元模型計(jì)算結(jié)果見表2，表2僅展示部分?jǐn)?shù)據(jù)。南北兩岸主塔應(yīng)力模型計(jì)算值與現(xiàn)場實(shí)測值均接近。

采用最小彎曲能法計(jì)算得到合理成橋索力與設(shè)計(jì)成橋索力，見圖5，圖5僅展示部分索力。

由圖5可知，計(jì)算成橋索力與設(shè)計(jì)成橋索力之差與設(shè)計(jì)成橋索力的比最大為4.6%，最小為．1.5%，索力差值未超過±5%。在運(yùn)營狀態(tài)下主跨撓度的最大值為36.7 mm，撓跨比小于1/400，滿足《公路斜拉橋設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T 3365-01-2020）要求。綜上，說明所建有限元模型可以有效地對該橋各階段進(jìn)行模擬。

3 斷索對結(jié)構(gòu)靜力特性影響分析

利用Midas/Civil中的“激活／鈍化”功能，結(jié)合施工階段來模擬斜拉橋的拉索斷裂現(xiàn)象，即將要斷裂的拉索單獨(dú)定義為1個結(jié)構(gòu)組，在完好模型的基礎(chǔ)上，重新建立1個施工階段，通過在該施工階段中鈍化已定義的結(jié)構(gòu)組來模擬斷索，運(yùn)行分析后查看結(jié)果。本文僅分析橋梁運(yùn)營條件下的斷索效應(yīng)，因此除考慮靜力載荷外，還根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范gt; （JTG D60-2015）布置車輛載荷。

3.1 單對索斷裂對主梁線形的影響

該橋共52對斜拉索，若針對每對拉索斷裂逐一研究將會產(chǎn)生巨大工作量。因此，根據(jù)該橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選取南岸側(cè)6對拉索進(jìn)行研究，工況說明見表3。

上述6對拉索分別斷裂時主梁撓度變化見圖6。圖6中，主梁跨中節(jié)點(diǎn)處橫坐標(biāo)為0m，橫坐標(biāo)為負(fù)值代表南岸側(cè)，橫坐標(biāo)為正值代表北岸側(cè)。

由圖6可知，長索斷裂對主梁撓度影響程度最大。邊跨最外側(cè)背索斷裂時主梁撓度峰值為-133.1 mm，較無損時增大98.5 mm，主跨長索斷裂時主梁撓度峰值為-178.7 mm，較無損時增大156.4 mm；邊跨、主跨短索斷裂與無損情況下主梁線形基本一致，僅在斷索主梁錨固位置附近有明顯變化，變化幅度在15 mm以內(nèi)，說明短索斷裂對主梁線形影響非常小。而長索斷裂對主梁線形的影響波及全橋，范圍最大，斷索側(cè)主跨撓度、邊跨反拱增大明顯。

邊跨拉索斷裂后主梁撓度峰值出現(xiàn)在主跨跨中附近，并沿橋梁縱向向兩側(cè)遞減；其他位置拉索斷裂后主梁撓度峰值出現(xiàn)在主梁錨固點(diǎn)附近，并由斷索處向兩側(cè)呈遞減趨勢。由于拉索失效后，主梁在相應(yīng)位置失去彈性支承，在重力載荷的作用下相應(yīng)位置附近撓度增大。

3.2 單對索斷裂對全橋索力的影響

表3所示工況下全橋索力變化見圖7。圖7中，橫坐標(biāo)1～52分別表示拉索編號SSC13～SSC1， SMC1～SMC13， NMC13～NMC1， NSC1～NSC13，索力變幅為斷索工況索力與無損工況索力的差值。由圖7可以看出，任意一對斜拉索斷裂時，與斷裂索相鄰的索索力增幅最大，并沿?cái)嗔牙飨騼蓚?cè)拉索呈遞減趨勢。這是由于斜拉橋的拉索與主塔、主梁相連，當(dāng)某一對拉索發(fā)生斷裂后，首先將力傳給主塔和主梁，然后通過構(gòu)件的應(yīng)力重分布對其他拉索產(chǎn)生影響。

對比3種不同長度拉索斷裂后周圍索索力變化情況，發(fā)現(xiàn)該橋長索斷索引起周圍索的索力增量最大，短索斷索時周圍索的索力增幅最小，中索斷索引起周圍索力的增幅介于兩者之間。長索斷索時索力最大增量為896.1 kN，較未斷裂時增大22.5%；中索斷索時索力最大增量為591.5 kN，較未斷裂時增大19.6%；短索斷索時索力最大增量僅為200.6 kN，較未斷裂時增大10.4%。

對比邊跨、主跨相同長度拉索斷裂后全橋索力變化可知，主跨拉索斷裂后周圍索索力增量大于邊跨拉索斷裂后周圍索索力增量，尤其以長索和中索斷裂最為明顯，說明主跨斷索比邊跨斷索更為危險。

3.3 兩對索斷裂對主梁線形的影響

考慮到斜拉橋兩對索斷裂的組合較多，在單對索分析的基礎(chǔ)上，分析拉索沿主梁跨中對稱斷裂情況。斷裂組合下主梁的位移變化見圖8。

由圖8可知，不同于單對索斷索，拉索沿主梁跨中對稱斷裂時，主梁線形表現(xiàn)出關(guān)于橋梁跨中對稱變化的規(guī)律。邊跨長索、中索的斷裂使主跨下?lián)?、邊跨反拱增大明顯，對主梁線形影響范圍大。主跨拉索斷索時，對主梁線形影響程度大且只在自身錨固于主梁位置附近影響較大，尤其以長索破斷影響最大。當(dāng)邊跨SSC13+NSC13組合兩對拉索斷裂時，主梁撓度、邊跨反拱最大分別為-164.3 mm、32.1 mm，較無損時分別增大142.1 mm、31.2 mm；當(dāng)主跨SMC13+NMC13組合斷裂時，主梁撓度最大為-376.7 mm，較無損時增大355.5 mm，邊跨反拱不明顯，增幅在9 mm以內(nèi)。此時主梁撓度仍滿足撓跨比小于1/400的要求。

3.4 兩對索斷裂對全橋索力的影響

不同位置兩對拉索沿主梁跨中對稱斷裂時，全橋索力變化見圖9。圖中橫坐標(biāo)1～52分別表示拉索編號SSC13～SSC1，SMC1～SMC13，NMC13～NMCI， NSCI～NSC13。

以邊跨斷索為例，分析兩對索對稱斷裂后全橋索力變化是否具有疊加性，并與單對索斷裂進(jìn)行對比。由圖7和圖9可知，長索SSC13+NSC13斷裂，SSC12索力增大679 kN，NSC12索力增大693 kN；SSC13單獨(dú)斷裂時，SSC12、NSC12索力分別增大615.8 kN、53.3 kN。中索SSC8+NMC8斷裂，SSC7、NSC7索力分別增大246.4 kN、253.3 kN;SSC8單獨(dú)斷裂時，SSC7索力增大267.5 kN，NSC7索力減小19.2 kN。短索SSC1+NSC1斷裂，SSC2索力增大200.2 kN，NSC2索力減小2.5 kN；SSC1單獨(dú)斷裂時，SSC2、NSC2索力分別增大200 kN、197.7 kN。

斜拉索設(shè)計(jì)強(qiáng)度為1 770 MPa，考慮2.5倍的安全系數(shù)，則服役期間拉索最大強(qiáng)度不能超過708 MPa。長索SSC13+NSC13斷裂，導(dǎo)致臨近索SSC12、NSC12應(yīng)力分別達(dá)到603.8 MPa、598.7 MPa，雖未達(dá)到預(yù)警值但富余量很小，因此橋梁運(yùn)營過程中要格外注意對長索的養(yǎng)護(hù)。

拉索沿主梁跨中對稱斷裂時，全橋索力表現(xiàn)出對稱變化的規(guī)律。兩對長索同時斷裂時，對比單對索斷裂后的疊加有放大效應(yīng)，但隨著斷索長度越來越短，這種放大效應(yīng)逐漸減弱，整體而言，雙索斷裂全橋索力變化基本符合疊加原理。

3.5 斜拉索斷裂對塔偏的影響

以索塔塔頂順橋向的位移代表主塔偏位，根據(jù)有限元分析計(jì)算結(jié)果，得出不同斷索工況下索塔塔頂?shù)奈灰?，見圖10。圖10中，塔頂位移變幅為拉索斷裂工況塔頂位移與無損工況塔頂位移的差值。圖10 （b）中工況1～工況6分別為組合斷裂工況SSC13+NSC13、SSC8+NSC8、SSC1+NSC1、SMC1+NMC1、SMC7+NMC7、SMC13+NMC13。

由圖10 （a）可知，邊跨拉索由長索向短索斷裂時，南塔塔頂位移向北岸側(cè)減小，隨著斷索位置越來越靠近南塔，塔頂位移增幅也越來越?。划?dāng)最長索斷裂時南塔塔偏增幅最大，為74.3 mm;當(dāng)最短索斷裂時，南塔位移基本無增幅，而北塔塔偏整體上向南岸側(cè)增大。當(dāng)輔助墩附近的索斷裂時北塔塔頂位移增幅最大，為-28.5 mm；當(dāng)邊跨最短索斷裂時，北塔位移基本無變化。

主跨拉索由短索向長索斷裂時，南塔、北塔塔頂位移規(guī)律一致。當(dāng)斷索位置處于主塔和1/4主跨之間時，南塔、北塔位移均無明顯變化；隨著斷索位置越來越靠近主跨跨中，南塔、北塔塔頂位移向北岸側(cè)增大，當(dāng)主跨最長索斷裂時，南塔、北塔位移增幅最大，分別為-35.3 mm、-21.2 mm。

由圖10 （b）可知，當(dāng)兩對拉索對稱斷裂時，南塔、北塔塔頂位移呈現(xiàn)出對稱的變化規(guī)律。邊跨拉索由長索向短索斷裂時，南塔、北塔塔頂位移分別向北岸、南岸側(cè)減小；主跨拉索由短索向長索斷裂時，南塔、北塔塔頂位移分別向南岸、北岸側(cè)增大。長索斷裂對主塔塔頂位移的影響較大，最長索斷索的影響最大，而短索斷裂對主塔位移影響較小。

對比邊跨、主跨相同長度的拉索斷裂對主塔塔頂位移的影響，可知邊跨拉索影響遠(yuǎn)大于主跨拉索，當(dāng)最長索斷裂時最為明顯。邊跨最長索斷索時南塔、北塔位移增幅分別為93.2 mm、-87.3 mm；而主跨最長索斷裂時南塔、北塔位移增幅僅為-16 mm、15.1 mm。

4 結(jié)論

分析了鋼-混組合梁斜拉橋正常運(yùn)營條件下斷索對主梁線形、索塔位移和全橋索力的影響，結(jié)論如下。

（1）長索斷裂對主梁線形的影響大于短索斷裂的影響；邊跨長索、中索斷裂后對主梁線形的影響峰值出現(xiàn)在主跨跨中附近，其他拉索的斷裂對主梁影響的峰值出現(xiàn)在拉索錨固處附近。兩對拉索對稱斷裂時，主梁線形呈對稱變化。

（2）任意一對拉索斷裂均會引起相鄰拉索的索力增大，且與之臨近的拉索索力增量最大。任意兩對拉索斷裂引起的拉索索力變幅值約等于這兩對拉索單獨(dú)斷裂時索力變幅之和。

（3）邊跨拉索斷裂對主塔位移的影響大于主跨拉索的影響；長索斷裂對主塔位移的影響大于短索斷裂。邊跨最長索斷索時南塔、北塔位移增幅最大，分別為93.2 mm、-87.3 mm。因此在實(shí)際橋梁運(yùn)營中，應(yīng)注重保護(hù)長索，在進(jìn)行橋梁健康監(jiān)測時，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注長索的索力變化情況，避免長索斷索而影響橋梁安全。

本文主要分析了橋梁正常運(yùn)營條件下鋼-混組合梁斜拉橋斷索后主梁線形、拉索索力和主塔位移的變化規(guī)律，未涉及瞬時斷索情況下結(jié)構(gòu)的動力學(xué)響應(yīng)，下一步有必要針對此類工況進(jìn)行分析，以更符合工程實(shí)際。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51708188）；湖北省教育廳研究生教學(xué)改革研究項(xiàng)目（校2021026）；示范性產(chǎn)教融合專業(yè)學(xué)位研 究生聯(lián)合培養(yǎng)基地建設(shè)項(xiàng)目資助（校2022054）