系杆断裂对拱桥健康状况的影响

        1.1有限元建模

采用SAP软件进行有限元分析，建模时主拱肋、横梁和桩采用三维梁单元，吊杆和系杆采用三维杆单元，拱座兼承台采用三维实体单元，因为拱脚处局部应力较大，所以也采用三维实体单元^[7,8]，建立的有限元模型见图1。对于钢管混凝土这种特殊的材料在建模的时候采用双单元进行处理：即两者共用同样的节点，一种单元赋予混凝土材料特性，一种单元赋予钢管材料特性^[9]。整体模型共有8569个单元，8311个节点。

图1 某发生系杆断裂的拱桥全景                            图2 SAP建立的桥梁整体模型

        1.2单根系杆突然断裂前后有限元计算结果

在整体模型建立后，将桥面板的容重统一折算成纵横梁的密度，考察桥梁结构在无预应力情况下拱肋，吊杆，系杆，墩台，桩等关键构件的位移和受力。然后，模拟拱桥系杆的预应力张拉，在40根系杆上都加上2000kN的预应力，计算整个结构，分析各关键构件的位移和受力状况。随后，模拟拱桥系杆中某根系杆（本文假定29号系杆）出现断裂，计算整个结构，分析各关键构件的位移和受力状况。

现假设29号系杆突然断裂，用有限元模型分别计算系杆的内力，选取部分代表性结果如表1。

从上表可以看出，29号系杆断裂后，其它系杆的拉力有等幅度的增大，其增加率在1.8%左右，39根总增加702kN。29号系杆断裂后，39根总承担的拉力所有下降，总拉力下降约为一根系杆的30%。

        2)承台混凝土应力变化    

        对实体单元，图3和图4分别为29号系杆断裂前后承台混凝土的Von mises应力计算结果。显见，某一根系杆断裂，对承台的主拉应力的影响很小（41MPa变为40MPa）。

        3)吊杆索力变化

有代表性的选取其中的6根吊杆进行比较，表2给出了其计算结果。显见，系杆拱桥中有一根系杆断裂对吊杆索力影响非常小，最大的变化量才0.03kN。

        4)主拱钢管混凝土压应力变化

在主拱拱脚和拱顶分别选取2个有代表性的单元的计算结果，见表3。显见，系杆拱桥中一根系杆断裂对主拱钢管混凝土压应力影响并不大，最大的变化量才0.7MPa。

                                        表3 29号系杆断裂前后部分拱圈内混凝土应力比较                                             表4三根系杆断裂前后部分系杆内力比较

29号系杆断裂后，桥头两端拱座的相对位移为0.35m。

        1.3三根系杆同时断裂前后有限元计算结果

某桥实际情况就是发现三根系杆同时断裂，故有必要探讨三根系杆同时断裂时关键构件的内力变化。假定29号，11号和23号系杆同时断裂（与现场情况一致），现将计算结构分析如下。

        1)三根系杆同时断裂后其他系杆索力变化

三根系杆同时断裂后，其典型系杆内力变化见表4，从表中可以看出：其它系杆的拉力有等幅度的增大，其增加率在6.5%左右，37根总增加2442kN。29号，11号和23号系杆同时断裂后，37根总承担的拉力所有下降，总拉力下降约为一根系杆的55%。

        图3和图5分别为三根系杆同时断裂前后承台混凝土的Von mises应力计算结果。显见，三根系杆断裂前后，对承台的主拉应力的影响也比较小（41MPa变为39MPa）。

        3)吊杆索力变化

经有限元分析计算，三根系杆断裂对系杆拱桥的吊杆索力影响也非常小，最大的变化才增加0.02％。

        4)主拱钢管混凝土压应力变化

在主拱拱脚和拱顶分别选取2个有代表性的单元的计算结果，见表5。显见，系杆拱桥中三根系杆断裂对主拱钢管混凝土压应力影响并不大，最大的变化量值才1.06MPa。

        5)拱座位移变化

三根系杆断裂后，桥头两端拱座的相对位移很大，最大达到了0.73m。

        1.4 系杆断裂对大桥健康状况的影响总结

根据SAP软件有限元分析，可以得到如下结论：

1）某一根系杆断裂，其他系杆索力最大的增加1.8 ％；拱座兼承台混凝土拉应力最大的减小2.4 ％；吊杆拉力基本没有变化；主拱钢管混凝土压应力最大的减小3.1％；两岸墩台的相对位移达到了0.25m。故可判断，仅断裂一根系杆，对拱桥的健康状况影响不大。

2）其中三根系杆同时断裂，其他系杆索力最大的增加6.5 ％；拱座兼承台混凝土拉应力最大的减小4.8 ％；吊杆拉力基本没有变化；主拱钢管混凝土压应力最大的减小4.7％；两岸墩台的相对位移达到了0.73m。故可判断，三根系杆同时断裂，对拱桥的健康状况影响很大，严重影响桥梁的正常安全使用。

2 系杆索力的实测情况与分析

现简要介绍建立的结构健康监测系统，并对比分析监测结果与理论结果的异同。

        2.1系杆索力健康监测系统的构成

系杆索力的监测采用自行研制的光纤光栅锚索测力传感器^[10]进行测试。光纤光栅锚索测力传感器安装在锚座与索头之间，安装位置如图6所示。它主要由圆环形弹性体和n个等间隔放置的光纤Bragg光栅（以下简称光纤光栅）组成。光纤光栅由不锈钢管保护，放置在弹性体预设的凹槽内，采用激光焊接技术使其紧密的附着在弹性体上。弹性体材料为高强度的合金钢，上端设计有一凹槽与锚索的锚头配合，当锚索的锚头将力作用在弹性体上时，弹性体发生弹性形变，形变的大小与分布由分布在弹性体上的光纤光栅的谐振波长的漂移来感测，通过对各个Bragg光纤光栅谐振波长漂移量的分析，可以计算出作用在弹性体上的总载荷以及弹性体受力的分布情况^[11,12]。图7为光纤光栅锚索测力传感器在现场的实际布置情形。

图6光纤光栅测力传感器安装结构示意图                                                     图7光纤光栅测力传感器的在拱桥系杆上的安装

        2.2系杆换索时实测索力结果

为说明问题，只列举几项有代表性的系杆索力变化。40根系杆分四排排列，见图8。图8是当剪断29号系杆在已经装上光纤光栅测力传感器的上测得的数据。图中圈内数据表示系杆编号，圈下数据表示索力的变化值，单位为kN。没有数据的系杆表示尚为更换的系杆。

图8 系杆索在锚头处的排列及实测结果

从实测的结果来看：当29号系杆被剪断时，在已安装上光纤光栅测力传感器的17号、37号、38号系杆上测得的索力分别比断索前增加了20kN、20kN和22kN；与有限元计算得出的增加18kN结果比较吻合，从而验证了理论分析的正确性。

3结论与探讨

这里只分析系杆断裂对整个桥的影响，所以有限元模型在计算过程中并没有考虑车辆荷载及温度；系杆拱桥要求拱肋对墩台有很小的水平推力，在建模过程中对约束进行了简化，忽略了地基侧推力。从计算结果来看，基本与实际情况相符。

通过对断索前后系杆索力的比较，我们可以发现剪断一根系杆后系杆索力在增加，尽管没有达到系杆的极限拉力，但是此时墩台的相对位移增加，它增加了周围土体的土压力，这是在设计中不允许发生的，对整个桥梁结构安全来说是影响的。

由此可见：判断该类型大桥健康状况的关键在于检测墩台的位移和系杆的索力，这两者又是紧密联系在一起的。对大跨系杆拱桥而言，采用光纤光栅测力传感器器进行监测是可行且有效的。

本文是在桥梁系杆换索时模拟系杆断裂对拱桥健康状况所做的初探，下一部将根据现场实测数据（包括承台位移、温度应力等）进行进一步的分析与探讨。

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收稿日期：2006-054-24

国家自然科学基金项目 （60537050），湖北省科技攻关项目（2004AA101A05）

作者简介：符晶华（1974－）男，博士生，高级工程师.E-mail:,foryoufirst@163.com

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