拱橋短吊桿在振動作用下的破損分析及應(yīng)對措施

陳 琦

南陽市市政工程總公司（473000）

拱橋短吊桿在振動作用下的破損分析及應(yīng)對措施

陳 琦

南陽市市政工程總公司（473000）

通過對中、下承式拱橋柔性短吊桿的受力特性和破壞機(jī)理進(jìn)行分析，詳細(xì)闡述了在振動作用下短吊桿的結(jié)構(gòu)行為影響因素，并對短吊桿的破壞提出了應(yīng)對措施，以期推動拱橋的發(fā)展。

中、下承式拱橋；短吊桿；振動作用；結(jié)構(gòu)行為

柔性短吊桿在拱橋中的廣泛使用促使拱橋的跨徑逐步增大，但是相當(dāng)一部分拱橋的吊桿在通車后不久，就出現(xiàn)了不同程度的損壞，甚至造成橋梁垮塌[1]。

這里通過對宜賓市金沙江南門大橋和重慶市綦江人行橋等事故的分析發(fā)現(xiàn),拱橋發(fā)生橋面垮塌，主要原因是短吊桿在振動作用下破損，繼而造成整座橋梁的垮塌。因此，對短吊桿在振動作用下的破壞機(jī)理進(jìn)行研究，是推動拱橋進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵。

1 短吊桿受力特性

在中、下承式拱橋中，短吊桿離拱腳最近，自由長度最短，抗彎剛度相對變大。在振動作用下，吊桿上下端的相對位移使短吊桿承受較大的附加彎矩，彎曲次應(yīng)力超過短吊桿及其防護(hù)的承受能力，短吊桿從而破損。另外，短吊桿的下端處于反復(fù)彎曲狀態(tài),引發(fā)微裂縫的產(chǎn)生，從而大大降低了短吊桿的抗疲勞能力[1]。

拱橋的振動主要包括車輛、環(huán)境等因素引起的豎向、橫向和縱向振動[2]。

2 短吊桿在振動作用下結(jié)構(gòu)行為的影響因素

2.1 吊桿橫向振動

在拱橋整體結(jié)構(gòu)振動中，拱肋和立柱的變形相對吊桿要小得多,可忽略不計[2]。短吊桿的固有頻率比長吊桿的高。在動荷載作用下，短吊桿受到的沖擊比長吊桿大得多，甚至達(dá)到兩倍，這對短吊桿是很不利的。另外,沖擊影響過大會導(dǎo)致構(gòu)件應(yīng)力幅值增大，這對短吊桿也是很不利的。

2.2 橋面不平以及車速影響造成的豎向振動

車輛以一定的速度在橋上行駛時產(chǎn)生的沖擊作用會使橋梁的內(nèi)力和變形較靜荷載時增大。沖擊作用的大小受線路狀態(tài)、車輛類型、橋梁結(jié)構(gòu)型式和跨度等因素的影響[3]。

短吊桿處于懸吊橋面和支承橋面交接處附近，因?yàn)樵O(shè)置伸縮縫，造成橋面的不平順，車輛經(jīng)過時發(fā)生跳車,產(chǎn)生豎向振動，因此短吊桿所受的豎向沖擊作用較大。另外，車輛經(jīng)過橋面縱向變坡點(diǎn)時，也會引發(fā)橋面的豎向振動,使短吊桿承受豎向沖擊力。

2.3 橋面縱向振動

車輛在加速和減速過程中產(chǎn)生的縱向力，使橋面產(chǎn)生縱向變位，同時伴隨縱向振動。橋面縱向力由橋面兩端支座的摩擦力、伸縮縫端部的反向作用力和短吊桿端部的剪力來承擔(dān)，但由于橋跨結(jié)構(gòu)的剛度較大，各短吊桿下端的變位比較接近。對短吊桿而言,彎曲和剪切作用產(chǎn)生的彈性應(yīng)變較大，拉索一部分鋼絲的拉力和剪力也相應(yīng)比長吊桿要大[4]。

可見，在車輛縱向力作用時，橋面容易產(chǎn)生縱向振動,由此短吊桿受到較大的拉力、彎矩和剪力。

3 應(yīng)對措施

為改善短吊桿受力情況,確保安全,可從以下幾個方面著手[2]:

1）增加短吊桿長度,降低固有頻率。一般短吊桿上端與拱肋底板連接，下端與橫梁上緣連接。為增加短吊桿長度,建議將短吊桿與拱肋上緣連接,下端與橫梁下緣連接,可有效降低固有頻率。2）增加短吊桿面積,降低固有頻率。短吊桿處可并排加設(shè)一根吊桿，使單位長度短吊桿的質(zhì)量增加,短吊桿拉力可降低,固有頻率也可降低。3）短吊桿的兩端由固結(jié)改為鉸結(jié)或半鉸結(jié)，這可大大降低其剪切變形，降低固有頻率。4）改進(jìn)拱肋與橋面、橋面與短吊桿連接處的構(gòu)造,解除或減少橋面對短吊桿的約束,以改善短吊桿的受力。5）設(shè)計中應(yīng)充分考慮短吊桿動力效應(yīng),除應(yīng)在整體上考慮橋梁沖擊系數(shù)外，還應(yīng)對短吊桿動力影響進(jìn)行單獨(dú)驗(yàn)算,以確保安全。

[1]李元兵,張啟偉.振動對拱橋短吊桿截面應(yīng)力分布的影響[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2009,2.

[2]顧安邦,徐君蘭.中、下承式拱橋短吊桿結(jié)構(gòu)行為分析[J].公路,2002,5.

[3]孫學(xué)子.系桿拱橋吊桿的受力分析及壽命預(yù)測[D].北京交通大學(xué)碩士畢業(yè)論文,2010,6.

[4]張鶴,張治成,等.月牙形多拱肋鋼管混凝土桁架拱橋動力沖擊系數(shù)研究[J].工程力學(xué)2008,7.