吊杆破断对系杆拱桥力学性能的影响研究

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吊杆作为系杆拱桥的传力构件,其完好程度决定着系杆拱桥的运营安全,吊杆的破断很可能导致结构局部破坏甚至于整体垮塌。本文依托实际工程,采用室内模型实验及有限元模拟分析相结合的方法,围绕吊杆破损和断裂对钢管混凝土系杆拱桥力学性能的影响展开了研究,并对吊杆破断可能造成结构破坏的原因作出了总结。本文主要研究内容及研究成果有以下几个方面:(1)将结构“鲁棒性”引入吊杆破断的研究中,得到了背景实桥34根吊杆基于“鲁棒性”的重要性系数。其中,拱脚附近、1/4跨径和跨中处的吊杆重要性系数较大,反映出该处吊杆破断对系杆拱桥的承载力影响较大。选以上控制截面处的吊杆作为吊杆破断的研究对象,对吊杆损伤过程中的应力、内力演变规律进行理论分析,得到了吊杆内力与损伤程度间的理论曲线。借此曲线可在实际工程中通过定期检测吊杆内力变化而反推吊杆损伤程度,并预测损伤吊杆剩余使用寿命,进而及早更换损伤吊杆避免吊杆断裂。(2)研究了吊杆破损和断裂对系杆拱桥力学性能的影响,研究结果表明:吊杆发生损伤后,其自身的内力减小而应力增大迅速,而对其余吊杆影响较小,其余吊杆应力最大增幅为10%左右,且距离损伤吊杆较远的吊杆应力值几乎不变。单根吊杆断裂后,结构受力状态与吊杆“损而未断”不同,与断裂吊杆相邻的3根吊杆应力增幅较大,最大增幅在30%左右;恒载作用下,单根吊杆断裂后其余完好吊杆拉应力值均满足规范要求σ≤0.33ftpk;拱肋和主梁的最大竖向位移变化值约为3mm,混凝土最大压应力满足规范要求σc≤[σb],且无拉应力出现。(3)对横桥向吊杆的非对称断裂和对称断裂两类状况展开了研究。研究结果表明:吊杆非对称断裂,结构在横桥向不再对称,主梁扭矩增大十分明显;主梁转角增大并且主梁截面上下游两侧出现应力值差和位移差。吊杆对称断裂,未对结构产生扭转效应的影响,但与断裂吊杆相邻的吊杆应力值增大幅度较大,且跨中出现连续两对以上断裂的吊杆,主梁下缘出现拉应力,结构混凝土可能出现裂缝,可能引起结构垮塌。(4)采用Ritz法求解拱桥的临界荷载。计算结果表明:吊杆的非保向力作用对双肋拱的稳定性起到一定的辅助作用,而吊杆破损引起的吊杆内力减小和吊杆断裂造成的吊杆间距增大在一定程度上削弱这种辅助作用。且经过计算分析结构中出现连续5对断裂吊杆,在主力和附加力作用下拱肋稳定系数小于规范容许值,拱肋可能失稳。(5)运用MIDAS/civil“未知荷载系数法”功能计算吊杆断裂后新更换吊杆张拉力的方法,该方法计算的“新吊杆”张拉力可以实现新吊杆一次张拉成型,不必反复调索;求解出吊杆拉力相对于主梁控制截面竖向位移的影响矩阵,并从影响矩阵角度说明了本文研究结论的正确性。
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