《探究青岛海湾大桥局部索构件失效对结构的影响及对策研究[上海公路]》由会员分享，可在线阅读，更多相关《探究青岛海湾大桥局部索构件失效对结构的影响及对策研究[上海公路]（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 青 岛海湾大桥局部索构件失效 对 结构 的影 响及 对 策研 究 闫振 国 邵新 鹏 蔡 建军 阮 欣 1 同济大学桥梁工程系 上海 2 0 0 0 9 2 2 山东高速青岛公路有限公 司 山东青岛 2 6 6 0 6 1 摘 要 以青岛海湾大桥航道桥为背景 采用半动 力分 析方法 研 究分析 了悬 索桥 吊杆及斜 拉桥拉 索失 效后 对周边 结构 的影 响 结果表 明 悬索桥 吊杆的强健性较斜拉 桥斜 拉索好 单根或 两根 吊杆 失效时不 影响结 构整体安 全 而 对于斜 拉索 在两限 或三 根拉索 失效 时 结构可能因主梁应力的储备 不足而破坏 根据 分析结 果 制定 了结 构损伤 等级
2、 给出 了相 应管理 养护措 施 对吊杆 等定期 隔根进行 检查 养护 并对靠近边墩及主跨跨 中的斜拉索重点关注 关键词 拉索失效 强健性 半动力分析方法 养护对策 0引言 近年来 随着经济的发展和人 民生活水平的提高 出行 便捷性 需 求增 大 长 距 离跨 海 大 桥 的建设 成 为 必 需 跨海 大桥 封 闭行 驶 里 程 长 易 发生 交 通 事 故 其 航 道桥常 采用 缆索支 撑体 系 事 故发 生时 可能造 成 吊 大沽河 航道 桥 杆 拉索等损伤 失效 可能对大桥正常运营及整体结构 产生影响 本文以青岛海湾大桥为研究对象 分析大桥 航道桥 见图 1 缆 索损 伤 失效对大桥结
3、构 的影 响 制定 应急管 理对策 并给 出 日常管养措 施 对 切实 提高 青 岛 海 湾大桥 的运 营 管理 服务水平具有 重要意义 红岛航 道桥 图 1 青 岛海湾大桥航道桥 1结构 强健 性 航道桥构件损伤 失效对大桥结构的影响 可概括 为部分构件损伤对其他构件造成损伤 的敏感性 研究 各航道桥缆索的结构强健性 J 其 目的是分析构件损 伤时对周边构件及结构整体安全的影响 研究结果可 帮助管理人员在风险事态发生时更加准确地判定损伤 程度 提出合理参考建议 以及 日常养护策略 青岛海湾大桥航道桥分别为非对称悬索桥 大 沽河航道桥 稀索钢斜拉桥 沧 口航道桥 红岛航道 桥 根据各航道桥的不
4、同特点 分析针对斜拉桥和悬 索桥分别进行 收 稿 日期 2 O 1 1 1 1 一 O 9 基金项 目 山东省交通厅科技计划项 目 2 0 0 8 R 0 1 1 3 6 上冯么姥 N o 4 2 0 1 1 沧 口航道桥 2悬 索桥 吊杆 强健性 分析 经初步分析可知 不同事故对悬索桥 吊杆及斜拉 桥拉索的损伤是不 同的 3 在研究过程 中 针对 可能 的情况 以不同位置 数量的吊杆 拉索损伤为场景分 别进行 以悬索桥 大沽 河航道桥为例 分析其 吊 杆损伤对周边结构的影响 2 1 强健 性分 析方 法 为准确分析吊杆失效 的影响程度及影 响范围 研 究模拟了其失效的整个过程 并记录了周边
5、吊杆应力 值 的相应 变化 初步分析可知 在运营期间 吊杆的失效一般都发 生 在 紧急事 态 中 失效 时间较 短 采 用半 动力 方 法可 以 对其有效模拟l 2 具体方法如下 首 先 在损伤 模 型 的 吊杆 损 伤 处施 加 一 对 作 用 力 如图 2所示 图 2 吊杆模拟 的作用力方 向 F 的 函数 表达 式见 下式 F i 一 f S i n 1 厶 r r 式中 F f 为拉索损伤前 模 型实际的索力值 r为作用 上 升时 间 其 中 r 2 t 为基本 周 期 实 际应 用发 现 取 r 一2 4 s 即 可满足 条件 见 图 3 图 3时 间 历 程 曲线 在分 析过 程
6、中采 用瑞 利 阻尼 即 E C a M K 式 中 a为 Al p h a阻尼 也称为质量阻尼系数 为 B e t a 阻尼 也称 刚度 阻尼 系 数 这 两个 系数 可 通 过 振 型 阻 尼 比计 算得 到 即 I 一 2 O J i I f 1 f 式中 和 c o i 分别为结构的第 i 和第 J固有频率 为 Be t a阻尼 比 其中 i 通常取多 自由度体系的基频 而 0 i 则在 对动力反映有显著贡献的高阶振型中选取 由于吊杆 的断裂损伤更会激发一阶对称竖弯 即第 3振型 相对 于第 2振型而言 故取第 1 3阶振型圆频率 对于阻尼比 综合 公路桥梁抗风设计规范 5 公路桥涵钢
7、结构及木结 构设计规范 6 等规范要求 取 阻 尼 比 一0 0 2 2 2 悬索 桥 吊杆 强健 性分 析 分析可知 对 吊杆造成直接损伤的事态集 中在交 通事故及蓄意袭击中 按照严重程度分为单根吊杆损 伤及相邻两根吊杆损伤 考虑多交通事故可能同时发 生 两侧吊杆存在 同时损伤的可能性 针对以上情况 研 究对 单根 吊杆 横桥 向对称 两根 吊杆 顺 桥 向两 根 相 邻 吊杆三类 1 8种情况发生时吊杆损伤对结构强健性 的影 响进行 了分 析 以下举例 进行说 明 单根吊杆失效位置如图 4所示 对其用半动力方 法进行失效模拟并与失 效前 吊杆应 力相 比较 结果如 图 5 图 4 吊杆 失
8、效示意 图 lFtrtLti tttIttl毽ll 莲 lll 睡 lllll 图 5 吊杆损伤前后 吊杆应 力值 由上图可知吊杆损伤时 仅对本侧周边 吊杆产生 影响 且范围较小 为表示影响幅值 定义损伤动力影 响 系数 K 荸 式中 a表示吊杆 失效过程中周 边 吊杆应力最大值 口 表示 吊杆失效前各吊杆的应力值 根据上述定义公 式 图 5数值 即可表示为 图 6所 示 的损伤动力影响系数 如图所示 当图 4示意位置 吊杆失效时 对同侧相邻 吊杆产生影响值为 1 6 对于 次相邻 吊杆 动力影响系数小 于 1 1 N o 4 2 0 1 1上冯么丞 钰3 7 雌髓畦睚 如 如 0 54 4
9、33 22 11 罂 氆 畦 1 8 一 t t 一 t 一 兰 薹 兰 三 兰 兰 至兰 i 0 6 一 一一 图 6损伤 动力影响系数 顺桥向同侧相邻两根 吊杆损伤位置及损伤动力影 响系数如图 7 8所示 可见其失效对同侧相邻 吊杆产 生影响较大 其值为 2 1 对于次相邻 吊杆 动力影响 系数为 1 2 图 7吊杆失效示意图 0 5 图 8同侧相邻两根 吊杆损伤动力影响系数 横桥向对称两根吊杆失效位置及损伤动力影响系 数如图 9 1 0所示 可知横桥向对称两根 吊杆损伤时 影响程度一般 由图 5 1 0比较可知 当横桥向对称两 根 吊杆同时失效与单侧 吊杆失效 动力系数相近 说明 一 侧
10、 吊杆失效对另一侧吊杆应力影响甚微 基本不会 出现 影响叠 加 的情况 图 9 横桥 向对称两根 吊杆失效位置 3 8 上冯么姥 N o 4 2 0 1 1 三 l 6 7 一 一 一 一一 一一 j 图 1 0横桥 向对称两根 吊杆损伤动力影响 系数 2 3悬索桥 吊杆 强健 性分 析结论 对以上三类吊杆损伤失效类别 的多个场景进行模 拟 分析 得 到 以下 结论 1 单根 吊杆失效时影响范围较小 基本局限于其 周 边两 根 吊杆 上 影响程 度较 小 桥 塔两 侧 吊杆 失效 时 对其周边的影响不同 青岛侧 吊杆影响程度较大 对于 桥 塔 同侧 吊杆 远 离桥 塔处 吊杆对 主缆 线形 影
11、 响较 大 影 响周 边 吊杆严 重 2 与单根吊杆失效的影响相比 相邻两根 吊杆失 效时影响范围没有扩大 但影响程度加深 最大处 出现 在黄岛侧靠近边墩位置 桥塔两侧吊杆失效时对其周 边 的影 响相 近 3 横桥 向对称两根吊杆失效只影响本侧 吊杆 不 会造成两侧应力的叠加 在实际发生时按单根 吊杆损 伤失效处理 3 斜 拉桥 拉 索强健 性分析 斜拉桥以沧口航道桥为例 对斜拉索可能失效的 场景模 拟 分析后 得 到 以下 结论 1 不同位置的斜拉索失效对周边拉索的影响程 度不同 靠近桥塔 的斜拉索对周边拉索的影响较小 在远离桥塔的斜拉索 中 主跨跨 中斜拉索失效时对周 边拉索影响最大 其
12、中相邻拉索的影响程度最为显著 横桥 向斜拉索间的影响较小 这与主梁 刚度大 的特点 有关 2 单根斜拉索失效时 其荷载基本被周边拉索分 担 随拉索失效数 目增加 周边拉索影 响程度随之增 加 当近边墩一侧 三根拉索失效时 可能造成周边拉 索相继失效 继而导致桥体的整体破坏 在实 际使用 过程中 不允许靠近边墩处三根拉索失效 3 单根斜拉索失效时 对主梁影响较小 随拉索 失效数 目增加 主梁影响逐渐显著 最大值位置为靠近 边墩处或主跨跨 中 与斜拉索相 比 主梁的动力影 响 系数变化 幅度大 易发生破坏 当靠近边墩处或 主跨 跨中两根斜拉索失效时 动力影 响系数 已接近或达 到 主梁安全系数 实
13、际使用过程中可能使得主梁部分损 伤甚至丧失正常使用功能 4 构件 强健 性评 价 根据以上强健性分析结果 对青岛海湾大桥航道 桥杆件强健性评价如下 与沧 口 红岛航道桥拉索相比 大沽河悬索桥吊杆 的结构强健性更好 单根或两根 吊杆失效时影 响均局 限于周围构件 不会导致 多米诺骨牌 式 的连锁破坏 不影响结构整体安全 若考虑 吊杆的耐久性损伤 存 在两根吊杆失效可能造成 吊杆接连破坏 的可能性 并 引发主梁等损伤 对于沧口 红岛航道桥 单根斜拉索 失效时 其荷载基本被周边拉索分担 而在两根或三 根斜拉索失效时 结构的强健性不佳 结构可能因主梁 应力的储备不足而破坏 为方便大桥 日常管理的有效
14、便捷 同时为便于在 管理过程 中衡量结构损伤的严重程度 综合考虑前述 结构强健性 的分析结果 将青 岛海湾大桥 的结构损伤 程度划分为从完好 到严重损伤的五个级别 并给出典 型场 景 如表 1所示 表 1 各损伤等级典型场景列表 损伤等级 损伤程度 典型场景 结构 完好 结 构损伤 对结构 1 吊杆 斜拉索外表出现划伤 等 安全不造成影响 对损 伤 构 件造 成 轻 微影 响 大沽河航道桥单根吊杆断裂 2 沧 E l 红岛航道桥 靠近桥塔 单 但对其余构不产生本质影 响 根斜拉索断裂 对 损伤构 件造成 轻微破 坏 大沽河 航道 桥 靠 近桥 塔相 邻 3 少数 构件 可能需更换 对结 两根
15、吊杆断裂 沧 口 红岛航 道桥 靠近边 墩处 构整体影响很小 或 主跨跨 中拉索单根断裂 对损 伤构 件造成 一定破 坏 大沽河 航道 桥 远离 桥塔 相 邻 对其 余 构 件 的受 力 产 生 不 两根 吊杆断裂 4 良影 响 对 结构 的整 体受 力 沧 口 红岛航道桥 主跨跨 中拉 影 响较小 结 构稳定 性可 以 索单根断裂 边跨 靠近桥塔 处 保证 两根拉索断裂 对损 伤构 件造成严 重影 响 大洁河 航道 桥 相邻 三 根及 以 对结 构 整体 受 力 产 生较 大 上 吊杆断裂 5 沧 口 红岛航道桥 靠近边墩 处 影 响 结构 的整体稳 定性不 能够得到保证 及 主跨 跨 中相
16、 邻两 根 拉索 断 裂或同侧三根斜拉索断裂 5结 语 本文对悬索桥 吊杆及斜拉桥拉索可能的失效场景 分析 是制定运营过程中 日常养护措施及事故发生时 应急管理 检查的基础 并避免 了以往经验性管理可 能造成的管养不当留下的安全隐患或管养过当造成的 费用浪费 是桥梁合理管理的重要保证 科学的将现 有定量数值分析方法与实 际运营的管理对策结合 可 有效提升大桥的运营管理 也代表了未来的发展方向 参 考文 献 1 M Wo l f f U S t a r o s s e k R o b u s t n e s s As s e s s me n t o f a C a b l e s t a y e d B r i d g e LAB M AS0 8 S e o u l Ko r e a 2 T e d Z R y a n W D e s i g n o f L o n g S p a n B r i d g e s f o r Ca b l e L o s s I ABS E S y mp o s i u m Li s b o n 2 0 0 5 E 3 苏 根 达 高 德 虎 等 斜拉
