学文网【摘要】主要从拱桥吊杆设计参数着手，如吊杆的间距、吊杆截面积、矢跨比三种计参数，多角度对影响吊杆疲劳性能的因素进行综合分析。利用通用有限元计算软件MIDAS/CIVIL进行数值计算，分析在不同桥梁结构设计参数下，吊杆内力的变化及其对吊杆疲劳性能的影响。
【关键词】系杆拱桥；吊杆；疲劳性能；有限元分析
造成吊杆疲劳破坏的原因有很多，大致可分为两种，一种是自身结构的原因，一种是外界的环境因素。由于外界的环境因素无法人为控制，由腐蚀带来的吊杆疲劳已普遍采用热裹HPDE外膜、钢丝镀锌、封蜡、灌浆等措施提供保护。而由于吊杆自身的力学因素带来的结构问题，我们是可以通过改变其材料特性、构件布置方式、特殊处理办法来进行人为控制的。在下承式拱桥的吊杆中，又特别是柔性吊杆，产生疲劳破坏的主要因素就是钢丝索的材料性质以及锚头处的锚固方式。以上两点因素与桥梁工作者对吊杆的选材、制造和施工息息相关。
1 吊杆间距对吊杆疲劳性能的影响
在增大吊杆间距的同时，不仅会使吊杆所承受的恒载加大，也将同时增大活载作用下吊杆中的内力。并且它的增大会导致系梁与拱助产生受力不均，增加拱肋弯矩。虽然在静力方面，增大吊杆的间距对于吊杆的受力是不利的，但对于吊杆疲劳性能而言，其影响又将如何，下文将做具体探讨。因为更改实桥吊杆布置不切实际。所以，下面通过有限元分析软件MIDAS/CIVIL来进行数值上的计算分析。
在建立的对比模型中，按照公路工程技术标准（JTGB01-2003）进行荷载组合，对全桥的4个车道同时加载，模拟最大交通流量下移动荷载对吊杆应力幅的影响。1号边吊杆至支点的距离为6米，分别选取吊杆间距4米、6米、8米和10米来进行对比观察。依旧取1号至10号典型吊杆的应力作为考察对象，以间距6米时的应力为基数，依次作对比分析。
分析发现：通过改变吊杆间距，次边吊杆所受到的影响相对边吊杆来说变化十分明显。而且在减小吊杆间距，也就是保持间距4m的条件下，次边吊杆的应力状况有着明显的改善。说明在保持边吊杆离拱脚距离不变的条件下，减小吊杆间距对改善次边吊杆应力状况有着明显效果。反而，增减间距只能增加其应力幅，对其疲劳性能产生负面效果。在保持边吊杆离拱脚距离不变的条件下，不管是增加还是减小吊杆间距，对于跨中吊杆的受力都是不利的。应力幅均有不同程度的增加，这也侧向说明了关于实桥的设计，6m的吊杆间距比较合理。合理的吊杆间距能够充分改善跨中吊杆在汽车活载下的疲劳性能，使受力最大处的跨中吊杆保持良好的承载环境，保证桥梁的运营安全。
2 吊杆截面积对吊杆疲劳性能的影响
在保持其他设计因素不变的前提下，增大吊杆的截面积必然会减小吊杆的应力以及应力幅的变化。但是，增大吊杆截面面积同时会导致材料用量的增加，从而增大自身的重力。吊杆疲劳设计必定受这两方面因素共同影响，具体改变又会如何。本节将选取另外3种由OVM公司生产的PES-7系列的高强镀锌钢丝吊杆，分别为PES7-55型、PES7-85型、PES7-109型冷铸锚式吊杆。其综合力学性能参数列于表中。
表 吊杆力学性能参数
规格
型号 钢丝束公称截面积 cm2 钢丝束理论质量kg/m 黑色单护层结构（H）型 黑色内层彩色外层双层结构（C）型 破断力 KN 配用锚具规格
外径mm 拉索单位重量kg/m 外径mm 拉索单位重量kg/m
PES7-55 21.17 16.6 68 17.9 72 18.3 3535 OVMLZM
PES7-73 28.09 22.1 78 23.7 82 24.2 4692 OVMLZM
PES7-85 32.71 25.7 83 27.5 87 28.0 5463 OVMLZM
PES7-109 41.95 32.9 93 35.1 97 35.7 7005 OVMLZM
分析发现：增加吊杆的截面积能够有效减小吊杆的应力和活载下的应力幅。并且，1号边吊杆的应力幅受吊杆面积的改变影响最大，有明显的减小，这对疲劳损伤最严重的边吊杆的抗疲劳性能来说，无疑是有着巨大的改善作用。以PES7-55为起算基数，PES7-109为除数来对比应力幅减小百分比：1号吊杆（边吊杆）为69%；2号吊杆为12%；5号吊杆为9%；10号吊杆（跨中吊杆）为7%。根据这一分析结果，当桥梁设计者对系杆拱桥的边吊杆进行设计时可采用双吊杆的布置方式。这样的设计方式不仅增加了吊杆的协同受力，同时也减小了活载下给吊杆内带来的应力幅变化，对边吊杆的疲劳性能改善有着显著的提高。
3 矢跨比对吊杆疲劳性能的影响
拱桥设计中，拱圈的计算矢高与拱桥的计算跨径之比被称为矢跨比。矢跨比作为拱桥设计中重要的设计参数，它的大小不仅会影响到主拱圈内力的大小，还会一定程度上决定拱桥的构造形式和拱桥的施工方法选择。更重要的是，失跨比的大小对系梁和拱肋的受力会产生巨大的影响。一般情况下，矢跨比增大会导致拱肋的水平推力减小。而吊杆受力受矢跨比变化的影响到底如何，则没有明确的结论。
选取四种矢跨比1/3、1/4、1/5和1/6，利用通用有限元计算软件MIDAS/CIVIL对不同矢跨比情况下拱桥吊杆的受力情况进行比对分析。仍选取1号至10号典型吊杆进行比较。以原拱桥失跨比下，拱桥吊杆的应力幅值作为基础标准值，再将其与其他矢跨比情况下车辆荷载所产生的吊杆应力幅值比较分析。
分析发现：在拱桥吊杆设计中，拱桥的矢跨比变化对吊杆的受力改善并不明显。随着拱桥矢跨比的逐渐变小，吊杆的应力和应力幅都略有增大。其中1号边吊杆的增大幅度最为明显，增大的幅度达到了4%左右。其他吊杆的应力幅值变化均只有百分之一点几，可看作没有变化。但是，在拱桥吊杆疲劳设计时，除了考虑其对拱肋和主梁整体受力的影响外，可采取局部微调，让边吊杆的受力得到相应改善。
4 总结
在对运营中的桥梁做定期疲劳性能评估以及改善桥梁疲劳设计的同时，应该加大力度发展桥梁健康的实时监测。这样我们就可以对桥梁的一些易产生疲劳损伤的构件部位进行实时控制。及时发现隐患的存在，快速的做出加固整改的措施。另外，应该加大力度打击不法车辆行车行为，严格把控货车载重与客车载人。这样不仅保证了人生财产的安全，也减小了桥梁的运营负荷，延长了桥梁的使用寿命，保证了桥梁的运营安全。
参考文献：
[1] 胡崇武等.146m石拱桥设计与研究[J]. 中国土木工程学会桥梁及结构工程学会第13届年会论文集.同济大学出版社.1998.
[2] 陈宝春. 拱桥技术成就与展望[A]. 中国公路学会.第二届全国公路科技创新高层论坛论文集（上卷）[C].中国公路学会：， 2004：5.
[3] 于淑兰. 梁拱组合桥梁结构体系性能分析[D]. 大连理工大学，2003.
[4] 王旭亮. 不确定性疲劳寿命预测方法研究[D].南京航空航天大学，2009.
[5] 顾安邦，徐君兰. 中、下承式拱桥短吊杆结构行为分析[J]. 重庆交通学院学报.2002.21（4）：1-3.
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