張志國(guó)， 杜召華， 殷春足

(1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北石家莊050043;2.石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)訓(xùn)技術(shù)中心，，河北石家莊050081)

1 工程概況

某斜拉橋?yàn)楠?dú)塔單索面帶協(xié)作體系混凝土斜拉橋，塔梁墩固結(jié)，即主跨為單塔單索面斜拉索式結(jié)構(gòu)，東端兩孔為塔索梁(橫梁)墩臺(tái)組合式結(jié)構(gòu)。橋梁全長(zhǎng)260 m，橋面寬24.7 m，橋跨布置為100 m(邊跨)+125 m(主跨)+35.5 m(協(xié)作體系)，其中機(jī)動(dòng)車道寬18.0 m，上、下行各兩車道共4車道，中間設(shè)寬2.7 m的斜拉索下錨帶及其護(hù)欄，每側(cè)寬2.0 m人行道及欄桿。橋梁設(shè)計(jì)荷載:汽車-20級(jí)，掛車-100，人群荷載為3.5 kN/m2。拉索區(qū)施工采用移動(dòng)支架法節(jié)段澆筑，協(xié)作體系采用滿堂支架法整體澆筑，最后于主跨澆筑合龍段，實(shí)現(xiàn)全橋合龍［1］。

主梁截面采用單箱三室箱型截面形式，三向預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，采用C50混凝土。梁高2.2 m，頂寬24.7 m，底寬13.5 m，順橋向每隔10 m設(shè)一道橫梁，其間距與索束間距相同。主梁縱向、橫向均設(shè)有OVM15B型邊錨，豎向設(shè)有32冷拉Ⅳ軋絲錨。

主塔橫截面為矩形截面，外部尺寸為5 m(順橋向)×2.7 m(橫橋向)，自承臺(tái)頂至塔頂高77.74 m，中間設(shè)兩道橫梁。橋上主塔為69 m高，自第一對(duì)斜拉索以上為空腹截面，空腹面積為2.3 m×1.0 m。塔身采用C50混凝土，設(shè)有32主筋。兩側(cè)拉索相等的拉力由塔身內(nèi)的預(yù)埋鋼錨箱予以平衡，不平衡水平力及由其引起的彎矩由塔身承受。

斜拉索為平行單索面，全橋共對(duì)18根斜拉索，梁上基本索距為10 m，塔上豎向基本索間距為5.77 m，索梁傾角為30°，最大索力將近10 000 kN。9對(duì)斜拉索平行對(duì)稱錨固于索塔的東西兩面，每根斜拉索由109根鋼絞線平行組成等六邊形斷面，每根鋼絞線用熱擠PE作為防護(hù)，每根索外包索箍。

該橋自1997年12月建成運(yùn)營(yíng)至今，分別在2000年、2005年進(jìn)行過兩次換、調(diào)索。在2007年進(jìn)行的索力檢測(cè)后恢復(fù)不銹鋼護(hù)套時(shí)，不慎將西側(cè)4#索部分鋼絞線燒斷，造成該索嚴(yán)重?fù)p傷，2008年12月至2009年1月，對(duì)本橋西側(cè)4#索進(jìn)行了更換。針對(duì)該斜拉橋的拉索火致?lián)p害進(jìn)行了模擬計(jì)算分析。

2 拉索火致?lián)p害模擬

該斜拉橋?yàn)殇摻g線斜拉索，受火災(zāi)后拉索力學(xué)性能將發(fā)生變化。對(duì)拉索火災(zāi)施救方法不同，鋼絞線的冷卻方式一般也不同，可以劃分為空氣冷卻和噴水冷卻。研究表明［1］，不同的冷卻方法對(duì)鋼絞線火災(zāi)后的力學(xué)性能指標(biāo)影響不大，總體而言，鋼絞線的極限強(qiáng)度、名義屈服強(qiáng)度和彈性模量都隨著溫度的增高而降低。對(duì)空氣冷卻，火災(zāi)后鋼絞線的彈性模量為:Et/E=－1.633 1×10－9t3+1.499 8×10－6t2－2.702 1×10－4t+1.023 9(20℃≤t≤900℃)，其中，E為室溫下的彈性模量;Et為經(jīng)歷溫度t后的彈性模量。

鋼絞線的彈性模量在700℃之前，變化不大，在800℃以后有所降低。鋼絞線彈性模量在高溫作用前后的比值變化為:200℃時(shí)為101.68%;400℃時(shí)為105.13%;700℃時(shí)為100.95%;900℃時(shí)為80.50%［2］。

以上是斜拉索火致?lián)p害時(shí)，對(duì)于未融斷部分受火影響后鋼絞線彈性模量的變化規(guī)律，而對(duì)于因火災(zāi)導(dǎo)致部分鋼絞線絲股斷裂，斷裂的鋼絲將完全退出工作，拉索承力僅與斜拉索的有效面積有關(guān)，可以采用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法進(jìn)行拉索損傷的研究［3-4］。把斜拉索整個(gè)橫斷面視為連續(xù)的介質(zhì)，則斷裂鋼絞線絲股的橫截面面積(A－與原鋼絞線橫截面面積A的比值定義為損傷率ψ，即ψ=(A－/A=1－

將損傷后材料假設(shè)為空穴為第二組相的復(fù)合材料，可根據(jù)復(fù)合材料的彈性模量“混合定律”，得到受損材料的彈性模量:E(ψ)=E(1－ψ)+Evψ，其中為材料中空穴所占的比例;E為材料無損時(shí)的彈性模量;Ev為空穴的彈性模量。顯然空穴的模量Ev=0，則可得ψ=1－E(ψ)/E?？梢钥闯?，這里損傷變量的定義與式ψ=1－是一致的。比較兩個(gè)式子，就可以得到，E(ψ)/E==1－ψ。所以，在用有限元模擬斜拉索損傷斷裂部分時(shí)可以用彈性模量的折減表示［5］，則受損傷斷裂斜拉索的彈性模量為:E(ψ)=(1－ψ)E。

因此，在斜拉索火致?lián)p害模擬時(shí)，應(yīng)對(duì)部分燒蝕的斜拉索按照上式進(jìn)行彈性模量折減;對(duì)受過火影響的斜拉索，應(yīng)按照火災(zāi)后鋼絞線的彈性模量退化規(guī)律進(jìn)行折減。該橋西側(cè)4#拉索有部分鋼絞線燒斷，假設(shè)拉索損傷率ψ等于20%，所以E(ψ)=(1－ψ)E=80%E。再根據(jù)火災(zāi)后鋼絞線的彈性模量退化模型，假設(shè)斜拉索在火災(zāi)下溫度達(dá)到900℃，則火災(zāi)后鋼絞線的彈性模量退化為原來的80.5%。所以西側(cè)4#索的彈性模量可以等效為:E*=E80%80.5%=1.255 8×105MPa。

在計(jì)算模型中對(duì)西側(cè)4#拉索損傷通過將其彈性模量折減為以上值來進(jìn)行模擬。

3 有限元計(jì)算分析

采用Midas Civil對(duì)該橋進(jìn)行有限元建模計(jì)算，采用變截面梁?jiǎn)卧M主梁，混凝土梁截面按圖紙?jiān)O(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸直接輸入，y軸、z軸變化均采用一次方程;用等截面梁?jiǎn)卧M主塔;用索單元模擬索，共計(jì)18個(gè)單元;預(yù)應(yīng)力鋼束共布置476束。所有單元的截面參數(shù)均根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙給出的數(shù)據(jù)輸入并由程序自動(dòng)計(jì)算其截面特性。支座根據(jù)實(shí)際空間位置輸入約束條件。三維有限元模型全橋共計(jì)68個(gè)節(jié)點(diǎn)，85個(gè)單元，圖1給出了該橋的結(jié)構(gòu)空間有限元模型。

圖1 有限元模型

一期恒載為結(jié)構(gòu)自重，按26.5 kN/m3計(jì)，根據(jù)結(jié)構(gòu)各部件實(shí)際斷面由程序自動(dòng)計(jì)算。斜橫梁簡(jiǎn)化為節(jié)點(diǎn)荷載，每個(gè)橫梁自重為339 kN。二期恒載為橋面系質(zhì)量，包括橋面鋪裝及護(hù)欄等，二期恒載為91.1kN/m。

通過模型對(duì)損傷后橋梁索力變化進(jìn)行了計(jì)算，將其與損傷前、損傷1 a后(即換索前)、換索后實(shí)測(cè)索力值進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果詳見圖2，圖中拉索編號(hào)從塔柱向遠(yuǎn)離方向依次增加。發(fā)生火致?lián)p害后沒能及時(shí)對(duì)全橋索力進(jìn)行測(cè)試，缺少此狀態(tài)的實(shí)測(cè)索力值，因此，無法將損害后的計(jì)算值與此狀態(tài)的實(shí)測(cè)索力值進(jìn)行比較。

由圖2可以看出，西側(cè)4#索發(fā)生火致?lián)p害后，索力急劇減小，相鄰的3#和5#索力明顯增大，遠(yuǎn)處索力變化不大。其中西側(cè)4#索索力由損傷前的814 t減小為425 t，減小了47.8%;西側(cè)5#索由損傷前的878 t增大為1 045 t，增大了19%;西側(cè)3#索由損傷前的799 t增大為867 t，增大了8.5%。橋梁帶傷運(yùn)營(yíng)1 a后，內(nèi)力出現(xiàn)重新分布，西側(cè)4#索力有所增大，3#和5#索力比發(fā)生損傷時(shí)有所減小。換索前西側(cè)4#索索力值為663 t，比損傷前索力小151 t，東側(cè)與西側(cè)索力總和相差141 t。經(jīng)過換索后，索力重分布情況良好，3#～9#索東西側(cè)基本相同，東西側(cè)總索力偏差僅為41 t，表明橋梁拉索工作狀態(tài)恢復(fù)較好。

圖2 索力比較圖

通過模型，對(duì)拉索損傷前、損傷后、損傷1 a和換索后主梁變形進(jìn)行了計(jì)算，主梁變形計(jì)算值見圖3。

由圖3可以看出，在西側(cè)4#索火致?lián)p害發(fā)生后導(dǎo)致3#和5#索受力增大，東西兩側(cè)橋面明顯抬高，橋梁帶傷運(yùn)營(yíng)1 a后，損傷的4#索一直受力，導(dǎo)致全橋應(yīng)力重新分布，主梁又表現(xiàn)為下?lián)献冃巍＝?jīng)過換索后，使得主梁下?lián)献冃螠p小，橋面明顯上抬。模擬計(jì)算的各階段主梁線形變化規(guī)律與施工監(jiān)控測(cè)試所得到的結(jié)果基本一致，也與索力變化規(guī)律相協(xié)調(diào)，表明模型是正確的。

換索前實(shí)測(cè)塔頂向東傾斜51 mm，換索后塔頂向東傾斜減小到42 mm，表明換索前主塔偏位已非常明顯，換索后橋塔偏位有所好轉(zhuǎn)。

圖3 主梁變形計(jì)算值

4 結(jié)語

通過選取合適的火致?lián)p傷變量，模擬了斜拉索的火致?lián)p害，建立了有限元計(jì)算模型，模擬火致?lián)p害和換索前后的受力特性，以此為理論依據(jù)可指導(dǎo)換索施工。實(shí)踐證明:有限元模型合理，理論計(jì)算可為換索施工提供依據(jù)。

［1］范進(jìn).高溫后預(yù)應(yīng)力鋼絞線性能的試驗(yàn)研究［J］.南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，28(2):186-189.

［2］杜召華.大跨度斜拉橋火致?lián)p害整治關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.石家莊:石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，2011.

［3］趙翔.拉索損傷對(duì)斜拉橋結(jié)構(gòu)性能影響的研究［D］.南京:東南大學(xué)土木工程學(xué)院，2005.

［4］IAN BENNETTS，KHALID MOINUDDIN.Evaluation of the impact of potential fire scenarios on structural elements of a cablestayed bridge［J］.Journal of Fire Protection Engineering，2009，19:85-106.

［5］常彬彬.斜拉橋拉索損傷機(jī)理及預(yù)防構(gòu)造措施研究［D］.重慶:重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，2008.