拱桥短吊杆动力特性分析

拱桥短吊杆动力特性分析

余丹 1 刘文华 1 熊佳雯 1 荣林 1 李翔 2

1 柳州欧维姆工程有限公司 , 广西 . 柳州 .545000 2 柳州欧维姆机械股份有限公司 , 广西 柳州 545000

摘要：据统计数据表明在我国现有服役桥梁中大约7%是拱桥。根据拱桥桥面结构分布位置的不同，通常将拱桥分为上、中、下承式拱桥。吊杆是中、下承式拱桥中重要的承重构件，研究发现吊杆结构的疲劳损伤现象十分普遍甚至导致了一些严重的工程事故，因此对吊杆结构安全性及耐久性的研究十分必要。本文结合拱桥短吊杆动力特性进行分析，并提出一些个人观点，以供参考。

关键词：短吊杆；动力特性；车桥耦合；疲劳分析

1工程案例

威海石家河公园大桥位于东部滨海新城松涧路上，松涧路西起公园路，东至威石辅路，东西穿越石家河公园，长约1.5Km，其中跨越石家河约200m，穿越松林600m。道路等级为城市主干路，双向六车道，道路宽度39米。桥梁起点桩号：K7+719.000，终点桩号：K8+640.000，跨径布置为4×(4×35)m+(35+40+100+40+35)m+(3×35)m，桥梁全长921m。主桥采用梁拱组合体系桥梁，引桥采用35m预制组合箱梁，西侧部分引桥位于半径为1000m的平曲线上，其余均为直线。本图层内容为石家河公园大桥桥梁工程部分，两侧接线不在本次设计范围，但由于桥梁工程控制本段道路的纵、平面设计，故本次设计提供本段道路的纵、平面设计内容。由于沿桥梁方向规划有综合管廊，桥梁仅考虑照明管线。

图1 边拱图

2拱桥吊杆的常见病害及原因

依据拱桥的结构形式可知，拱桥吊杆是影响桥梁受力的核心构件，其主要功能是连接拱肋与桥面结构并传递荷载。吊杆结构的受力主要以拉为主，在实际运营过程中，由于吊杆长期受到车辆荷载引起的冲击作用故较易发生疲劳破坏。吊杆结构主要由端部锚头、承重钢绞线和外部防护设备等构成。其连接处较易发生腐蚀，进而导致钢绞线腐蚀断裂，故吊杆结构的破坏是中、下承式拱桥坍塌的主要原因。吊杆结构的损伤形式主要包括：吊杆偏移、承重钢绞线腐蚀、锚头生锈、防护设施损坏等。根据现有中、下承式拱桥的检测数据表明上述几种现象普遍存在，与此同时车辆通过桥梁时对吊杆的冲击作用更加速了吊杆的疲劳腐蚀。

3车辆荷载作用下吊杆动力响应分析

3.1吊杆振动力学模型

吊杆轴向振动固有频率取决于吊杆长度、吊杆材料密度和弹性模量，而一般拱桥的各吊杆材料属性一致，故短吊杆的固有频率会高于长吊杆实际桥梁吊杆下端连接着横梁，其轴向振动的动力学模型类似于在吊杆端部附加一个集中质量M。在吊杆材料和截面尺寸相同的情况下，吊杆的各阶固有频率均随着吊杆长度的增加而减小，也就是说短吊杆的各阶固有频率均大于长吊杆对应阶数的固有频率。由于桥梁的主梁重量远大于吊杆自重，故在计算模型中吊杆自重相对于杆端集中质量可忽略不计，在只考虑吊杆第一阶模态参与的情况下，吊杆轴向振动模型可近似等效为单自由度弹簧-质量模型如图。

图2吊杆轴向振动模型

矩形脉冲荷载作用下吊杆冲击系数〃大小取决于冲击荷载持续时间和结构固有频率，在加载时间相同的情况下也就是受到的冲击荷载一样时，短吊杆因其固有频率较高故冲击系数也相对较大。在冲击荷载作用下，相比于长吊杆，短吊杆受到的冲击力更大，根据疲劳累计损伤理论可知其应力循环次数会更少，故拱桥结构破坏一般是短吊杆率先疲劳破坏所致，理论分析结果与实际工程事故基本吻合。

3.2车速对吊杆结构的影响

在车桥耦合振动分析过程中，车辆荷载的大小和移动速度是影响车桥耦合分析结果最为直观的两个因素。首先分析速度的影响，车辆行驶速度不同则会使得荷载作用于桥梁的位置发生改变，桥梁结构的动力响应随着车辆荷载作用位置的改变而不断改变，所以需要分析不同车辆行驶速度对吊杆受力的影响。接下来以刚建立的车桥耦合振动模型为基础，分析在车辆荷载作用下，吊杆的动力响应情况。首先假定车辆在桥面是匀速行驶，分析车辆的行驶速度为10至100km/h时，吊杆结构的应力时程情况。其它计算参数的选取分别为：C级桥面不平度、20t车辆模型。在车辆荷载作用下各吊杆的振动都很明显，当车辆荷载移动到某一吊杆正下方时，该吊杆的应力值取得最大。对比分析不同车速情况下吊杆的应力时程响应情况，可以看出一号吊杆，无论车速怎么变化其应力幅值都大于其它吊杆，而且可以看出越靠近跨中的吊杆其应力变化幅度越小，在中跨的吊杆处应力幅值达到最小。

图3 车辆荷载模拟和车辆模型

3.3车重对吊杆结构的影响

由于车辆荷载作用在节点上时是瞬间作用后即消失的冲击荷载，将其模拟为三角斜坡荷载，最大值Ｆ 为车辆轴重，时间差ｔ２－ｔ１ 由车辆的速度和节点的间距来确定。由于桥梁所处国道线超载现象极为严重和普遍，本文中车辆荷载模型参照车辆荷载的研究成果，采用三轴车辆单车模型，车辆荷载模拟和车辆模型如图所示。运用 ＡＮＳＹＳ提供的瞬态动力分 析，模拟 简 化 模 型 的 车 辆 以 不 同 的 速 度 （４０，８０，１２０ｋｍ／ｈ）通过大桥时短吊杆的动态响应。不仅车速会影响车桥耦合分析的结果，车重的影响也是不容忽视的。当车辆载重比较大时，吊杆应力会在一个较高的水平波动，这样会加速吊杆疲劳损伤的累积。下面用车桥耦合振动模型来分析车辆荷载改变时对吊杆动力响应的影响，将车辆模型的重量设置为10t、20t、50t三种级别进行对比计算分析，计算时其它参数的选取分别为：车速40km/h，桥面不平度等级C级。吊杆的应力幅值均与车重呈正相关，随着车重的增大吊杆应力的变化幅度也相应增大。在车重增大的过程中，吊杆应力幅值之间的差距越来越大，也就是说短吊杆的动力响应对于车重的变化更为敏感。车辆越重对吊杆的冲击作用越明显。无论在何种车重情况下，短吊杆的冲击系数都大于长吊杆，在车重较轻时，车辆荷载对长吊杆的冲击效应较小，但对短吊杆的冲击效应还是很明显。进一步说明了短吊杆抗冲击性能弱于长吊杆。

图4车桥耦合分析结果

4吊杆疲劳分析

对吊杆结构进行疲劳分析需要得知吊杆材料的S-N曲线和疲劳荷载作用下吊杆的应力幅值谱：吊杆材料的S-N曲线一般是通过大量的疲劳试验结果总结而来;应力幅值谱则是通过对吊杆在疲劳荷载激励下的动力响应曲线进行数理统计分析得来。动力响应曲线可通过实地测量和数值模拟两种方式得到：实地测量指的是对吊杆的应力进行实时监测，统计在车辆荷载作用下吊杆的动态响应情况，但是由于需求的统计数据量很大，耗费的时间精力很多，除特殊情况外一般不采用这种方式；数值模拟则是以交通量的调查数据为基础，基于蒙特卡罗法模拟产生随机车流荷载作用于桥梁模型，从而得到吊杆的动力响应曲线。数值模拟法相比于实地测量更为方便，且能较好的模拟实际情况。

结束语

通过对影响拱桥吊杆受力因素的分析可知，吊杆间距直接影响着吊杆结构在动载作用下的平均应力和应力幅值，故合理的设置吊杆间距能有效地提高拱桥吊杆在车辆荷载作用下的疲劳性能；增大吊杆直径并不能有效的提高吊杆的抗冲击能力，但能减小吊杆的平均应力和应力幅，提高吊杆的安全系数;从动力学观点出发，对吊杆结构进行重设计后，无论是吊杆的抗冲击能力还是使用寿命都有了显著的改善，其中短吊杆的冲击系数减小33%，使用寿命提高68%。由此可见，基于改善吊杆动力特性的结构重设计能有效的延长短吊杆的使用寿命。

参考文献

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