系杆拱桥吊杆疲劳的影响因素

文章编号:0451-0712(2007)12-0038-07 中图分类号:U44114 文献标识码:B　系杆拱桥吊杆疲劳的影响因素姚　翔(辽宁省交通勘测设计院　沈阳市　110005)摘　要:通过参数分析,对影响下承式系杆拱桥吊杆疲劳的直接因素,如吊杆的位置、吊杆的间距、边吊杆至拱脚的距离、吊杆截面积、吊杆的弯曲刚度、汽车冲击力等,以及一些间接因素进行了分析,并结合算例进行了应用。

关键词:系杆拱;吊杆;疲劳;影响因素 吊杆是下承式系杆拱桥的重要构件,一旦损坏将导致严重后果,2001年四川宜宾南门金沙江大桥事故的直接原因就是吊杆的破坏。

引起吊杆破损的主要原因是腐蚀和疲劳,而且两者共同作用、相互影响——交变的疲劳荷载降低了防腐措施的有效性,而腐蚀带来的强度降低更使吊杆难以承受疲劳荷载。

对于吊杆,特别是柔性吊杆,产生疲劳破坏的内因是钢丝索的材料性质以及锚头处应力集中的程度,这与吊杆的选材、制造和施工密切相关,本文不做详细探讨。

吊杆疲劳的外因主要是应力反复的循环特征,本文由此入手,对如何从结构设计的角度减少疲劳破损的产生加以讨论。

1　吊杆的疲劳设计准则吊杆的疲劳属于变幅疲劳问题,应当采用线性累积损伤准则进行分析,但由于缺乏资料,一般仍采用强度计算的荷载,在控制最大应力满足安全系数要求的条件下,使应力幅不超过容许值。

现行的《钢结构设计规范》、《公路斜拉桥设计规范(试行)》、《公路悬索桥吊索》等规范,都是采用的这一设计方法。

2　吊杆疲劳的直接影响因素作为超静定结构,系杆拱桥的各种参数都会对吊杆的应力状态产生影响。

对吊杆疲劳产生直接影响的因素是与吊杆直接、密切相关的因素,如吊杆自身的尺寸和材料特性,或是作用在吊杆上的荷载,主要包括以下内容。

(1)吊杆钢索和锚具组件的疲劳强度。

改善材料性质,优化结构构造,是提高钢索及锚具抗疲劳性能的重要手段。

但现在吊杆已普遍应用成品索,对于结构设计来说,研究如何提高材料性质意义不大,本文故不做讨论。

(2)吊杆的位置,即边吊杆、次边吊杆、中吊杆之间疲劳问题的不同。

(3)吊杆的间距。

(4)边吊杆至拱脚的距离。

(5)吊杆截面积。

(6)吊杆的弯曲刚度。

(7)汽车冲击力的作用。

为了了解吊杆应力的规律,选取跨径为60m的钢管混凝土系杆拱桥分析,桥宽17195m,其中行车道宽15125m,矢跨比为1 5。

拱肋采用钢管混凝土,钢管直径为900mm,厚16mm,系梁高为160c m,宽为90c m的预应力混凝土矩形梁,拱梁刚度比为1∶4177,吊杆间距为5m,采用热挤聚乙烯成品拉索PES7-55,计算荷载为汽车—超20级。

参数分析时只调整相关参数,其余不变。

由于内部高次超静定,不同的吊杆初始张拉力会使结构中的内力状态不同。

为便于分析,取吊杆初始张拉力为每根吊杆承受的恒载大小。

施工方法按一次落架考虑。

211　吊杆位置的影响 下承式系杆拱桥有多个吊杆,边吊杆由于长度收稿日期:2007-06-11　公路　2007年12月　第12期 H IGHW A Y　D ec12007　N o112　短、刚度大,一般认为疲劳问题相对严重,受力状态得到了普遍关注。

宜宾南门金沙江大桥的事故也是边吊杆破坏引起的。

但最危险的只有边吊杆吗?其他吊杆又如何呢?下面对各个吊杆的受力状态做了大致的分析,其中应力幅比值以跨中吊杆为基数1。

计算模型见图1所示,计算结果见表1。

图1　系杆拱桥计算模型、吊杆间距及边吊杆至拱脚距离示意表1　不同位置吊杆应力幅吊杆位置边吊杆次边吊杆吊杆3吊杆4吊杆5跨中吊杆最大应力 M Pa 419154381444410448134511145111最小应力 M Pa 357113681437013370183701837018平均应力 M Pa 388134031440712409154111041110应力幅 M Pa 621469197317771580138013应力幅比值017760187101918019651100011000从计算结果中可以看出,在不考虑吊杆抗弯刚度的情况下,边吊杆的最大应力和应力幅并不是最大的,最大的是跨中吊杆。

在后面考虑各种因素变化而进行计算的结果也基本反映了这一规律,即边吊杆的最大应力和应力幅最小,次边吊杆次之,其他吊杆的受力状态差别不大,以跨中吊杆为最大。

只有当边吊杆距拱脚的距离过大或过小时,其最大应力和应力幅才有可能超过其他吊杆。

考虑到抗弯刚度,边吊杆的受力状态的确应当加以重视,但同时不能忽视其他吊杆,特别是跨中吊杆。

如上例,跨中吊杆的应力幅较边吊杆大29%!下面的分析计算,均以边吊杆、次边吊杆和跨中吊杆为特征吊杆进行。

212　吊杆间距的影响吊杆间距是影响吊杆内力的重要参数。

为了考察其影响,吊杆间距分别取4m 、5m 、715m 和10m ,其他参数不变。

边吊杆至拱脚的距离与中吊杆间距相同。

计算结果见表2。

表2　不同吊杆间距时各吊杆应力幅吊杆位置边吊杆次边吊杆跨中吊杆吊杆间距 m 457151045715104571510最大应力 M Pa 32117419156231584018357114511166688313357114511166688313最小应力 M Pa 274143571153318718290370185431272217290370185431272217平均应力 M Pa 2981138813578167791432316411604168033231641160416803应力幅 M Pa 47126214891712218671180131221816016671180131221816016最大应力比值017671114862100501792111476119580179211147611958应力幅比值017581114391197018351115292018351115292 表2的计算结果,应力幅比值以吊杆间距为5m 时的应力为基数1。

由表2可知,吊杆间距的变化对各位置吊杆受力的影响几乎是一致的,在不考虑吊杆截面积变化的情况下,增大吊杆间距使最大应力和应力幅呈线形增加——间距增大一倍,最大应力和应力幅也几乎增大一倍。

吊杆间距的增加导致了吊杆最大应力的增大,为了满足吊杆应力安全系数的要求,就必须增大吊—93—　2007年　第12期 姚　翔:系杆拱桥吊杆疲劳的影响因素　杆的截面积,此消彼长,材料用量没有随吊杆根数的减少而减少,而拱肋、系梁以及桥面系受力的均匀性却大大降低,构件受力迅速增加,导致全桥材料用量增加。

所以适当地减小吊杆间距,不仅对减小吊杆的轴力幅有利,而且对全面改善系杆拱桥的受力情况都是有益的。

213　边吊杆至拱脚距离的影响边吊杆至拱脚距离分别取为215m 、5m 、715m 和10m ,即边吊杆至拱脚距离与中吊杆间距之比为015∶1、1∶1、115∶1和2∶1,其他参数相同。

此处暂不考虑短吊杆的抗弯刚度,计算结果见表3,其中比值以边吊杆至拱脚距离与中吊杆间距之比为1∶1时的应力为基数1。

表3　边吊杆至拱脚距离与中吊杆间距之比不同时各吊杆应力幅吊杆位置边吊杆次边吊杆跨中吊杆边吊杆至拱脚距离 m 215571510215571510215571510边吊杆至拱脚距离与中吊杆间距之比015∶11∶1115∶12∶1015∶11∶1115∶12∶1015∶11∶1115∶12∶1最大应力 M Pa 2541630819461155431235616391164321748118417114161641517411最小应力 M Pa 18213265154071747214299308352144061731317313123121730919平均应力 M Pa 218152871243416507183271834918392154441336514364193641236014应力幅 M Pa 72134315531870195716831680137511103141031410310111应力幅比值116631112391163016891019601898110199501977 由计算结果可知,边吊杆至拱脚距离的变化对中吊杆影响较小,但对边吊杆和次边吊杆影响较大。

对于边吊杆,边吊杆至拱脚距离过大或过小都会导致应力幅增大。

当距离过大时,边吊杆作为承受桥面荷载的一个支点,其恒载与活载效应均会有所增加,从而导致最大应力和应力幅的增加。

而当距离过小时,考虑到拱肋与系梁的固结,边吊杆距拱脚系梁分叉点的距离更小,吊杆很短的自由长度导致抗拉线刚度相对较大,从而边吊杆的应力幅较大。

同时吊杆长度过短也将使其对弯曲更加敏感,本算例中边吊杆至拱脚距离为215m 时,它到拱肋与系梁分叉处的水平距离仅为60c m ,自由长度也仅有60c m ,而吊杆上下端的相对水平位移差可以达到2c m ,极易导致吊杆的弯曲破坏。

所以,边吊杆至拱脚距离是有一个相对合适的范围的,过大过小对边吊杆的受力都不合适。

根据计算结果和设计经验,边吊杆至拱脚距离取为与中吊杆间距较接近,或略大一些,是比较合适的。

如果不是边吊杆至拱脚距离取得过小,致使吊杆过短,这一参数对于次边吊杆的影响也不大。

214　吊杆截面积的影响吊杆截面积对应力的影响是最直接的。

增大吊杆截面积可以直接降低应力和应力幅,但吊杆截面积变化的同时也改变了吊杆的抗拉刚度,对系杆拱桥这种内部超静定结构的整体受力情况会产生影响,通过结构内力的重分配,吊杆中的应力和应力幅并不随截面积线性变化。

当讨论其他参数时,吊杆截面积不变化,吊杆内轴力变化规律与应力变化规律相同。

但由于吊杆截面积同时影响轴力和应力,所以在讨论截面积时着眼于轴力的变化规律更能反映其实质。

改变吊杆的截面积有两种方法,一种是所有的吊杆截面积同时改变,一种是仅仅改变边吊杆的截面积。

下面对这两种情况分别进行分析,其他参数相同。

计算结果见表4、表5。

表中的比值均以截面积为2117mm 2(55根7<5)的情况为基数1。

由表4、表5可知,当全部吊杆截面积同时增加时,各吊杆轴向刚度同时提高且比较接近,所以吊杆间内力变化不大,但最大轴力和轴力幅略有增加。

边吊杆的轴力幅增大较多,其他各吊杆的轴力幅变化均不大。

但所有吊杆的应力幅则仍随截面积增加而降低。

当只改变边吊杆的截面积时,边吊杆的最大轴力略有变化,而轴力幅随其截面积的增加而大幅增加,这也是符合内力按刚度分配的原则的。

次边吊杆的轴力幅略有减小,对中吊杆则影响不大。

而对应力幅来说,边吊杆还是随着截面积的增加而迅速减小的。

—04— 公 路 2007年　第12期　表4　全部吊杆截面积均变化时各吊杆的轴力幅和应力幅吊杆面积mm2边吊杆次边吊杆跨中吊杆108915002117423410891500211742341089150021174234最大轴力 kN877892888898919932928935951955955959最小轴力 kN763757756749778782780784785784785787平均轴力 kN8208241582282315848158578548591586886915870873轴力幅 kN114135132149141150148151166171170172应力幅 M Pa10417906214351212915100691935171521411480134016截面积比015140170912015140170912015140170912轴力幅比值01864110231111290195311014111020197611006111012应力幅比值116791144310156411852114310151118981142101506表5　仅边吊杆截面积变化时各吊杆的轴力幅和应力幅吊杆面积mm2边吊杆次边吊杆跨中吊杆108915002117423410891500211742341089150021174234最大轴力 kN852869888927937933928917954954955955最小轴力 kN763760756749777779780783785785785785平均轴力 kN80715814158228388578568548508691586915870870轴力幅 kN89109132178160154148134169169170170应力幅 M Pa81177217621442146191021769193116155121121780134012截面积比015140170912015140170912015140170912轴力幅比值01674018261113481108111041101905019940199411应力幅比值11311111651016741108111041101905019940199411 通过以上分析可以看出,不论以何种方式改变吊杆截面积,吊杆内的应力幅均随截面积的增大而减小。