考虑吊杆断裂过程的下承式钢管混凝土拱桥动力分析的学习体会

文献概况与研究意义

吴庆雄等发表于《福州大学学报（自然科学版）》2023年第51卷第3期的这篇论文，针对下承式钢管混凝土（CFST）拱桥的吊杆断裂问题，采用MSC.Marc有限元软件模拟了吊杆断裂的全过程，讨论了动力系数的计算方法及其取值，并确定了不同跨径、不同断裂位置下剩余吊杆和加劲纵梁的动力系数。

吊杆断裂是下承式拱桥面临的严重灾害工况之一。吊杆一旦断裂，其承担的荷载将重新分配到剩余吊杆和加劲纵梁上，导致结构动力响应急剧增大，可能引发连锁断裂甚至整体坍塌。这一问题的研究对于拱桥的防灾减灾设计和应急预案制定具有重要意义。

作为一名长期关注钢管制造与焊接工艺的技术人员，这篇文献从结构动力学的角度审视钢管混凝土拱桥的灾害工况，为钢管拱肋的设计、焊接质量控制和结构监测提供了重要的理论依据。

研究方法与参数分析

标准拱桥模型构建

文献收集并分析了62座下承式CFST拱桥的主要参数，构建了6种不同跨径的标准拱桥模型。这种基于大量工程数据统计分析的方法，确保了研究结果的代表性和适用性。

吊杆断裂全过程模拟

文献采用MSC.Marc有限元软件模拟吊杆断裂的全过程。MSC.Marc是一种强大的显式动力学有限元软件，特别适用于模拟涉及大变形、接触和材料失效的复杂动力学问题。吊杆断裂的模拟需要考虑以下关键因素：

1. 吊杆的断裂过程：吊杆从承载到断裂是一个渐进过程，涉及材料的弹塑性变形、裂纹萌生和扩展。在显式动力学模拟中，通常采用单元删除法（Element Deletion）来模拟吊杆的断裂。
2. 荷载重分布：吊杆断裂后，其承担的荷载将重新分配到剩余吊杆和加劲纵梁上，导致结构动力响应急剧增大。
3. 动力系数的确定：动力系数是动力响应最大值与静力响应最大值的比值，是评估结构动力效应的重要参数。

动力系数的确定方法

文献讨论了动力系数的计算方法及其取值，并确定了不同工况下的动力系数。核心结论如下：

文献建议，剩余吊杆动力系数取1.75、加劲纵梁动力系数取1.80时，采用静力法计算结果与动力计算最大值基本一致，且计算结果偏于安全。这一建议为工程设计提供了实用的简化计算方法。

钢管混凝土拱肋在吊杆断裂工况下的受力分析

拱肋的受力状态变化

吊杆断裂后，拱肋的受力状态将发生显著变化。在正常使用工况下，拱肋主要承受轴向压力和弯矩；在吊杆断裂工况下，拱肋的弯矩和剪力将显著增大，局部区域的应力水平可能接近或超过材料强度。

从钢管制造与焊接的角度，拱肋的受力状态变化对钢管和焊接接头提出了更高的要求：

1. 钢管的材质要求：在吊杆断裂工况下，拱肋局部区域的应力水平可能接近钢材的屈服强度甚至极限强度。因此，钢管材质应具有良好的强塑性匹配，避免脆性断裂风险。建议选用Q345GJ、Q390GJ或Q460GJ等桥梁专用钢，其屈服强度、抗拉强度和冲击韧性均满足桥梁工程的严格要求。
2. 钢管的壁厚设计：在吊杆断裂工况下，拱肋的弯矩增大可能导致钢管壁厚不足。因此，钢管壁厚设计应充分考虑吊杆断裂工况的荷载效应，确保钢管的局部稳定性和整体稳定性。
3. 焊接接头的设计：焊接接头是拱肋的薄弱环节。在吊杆断裂工况下，焊接接头处的应力集中效应可能加剧，导致焊缝开裂。因此，焊接接头的设计应采用全熔透焊缝，并进行100%无损检测，确保焊缝质量。

加劲纵梁的动力响应

文献指出，各吊杆分别断裂时，拱肋和加劲纵梁各截面均为断裂吊杆所对应位置动力响应最大，剩余吊杆为断裂吊杆的相邻吊杆动力响应最大。这一结论揭示了吊杆断裂后的荷载重分布规律：

• 断裂位置附近：断裂吊杆的荷载将主要分配到相邻吊杆和加劲纵梁上，导致断裂位置附近的应力水平急剧升高。
• 相邻吊杆：相邻吊杆承担了断裂吊杆的大部分荷载，其动力响应最大，是最可能发生连锁断裂的薄弱环节。
• 加劲纵梁：加劲纵梁作为吊杆的支撑结构，在吊杆断裂后承受了额外的弯矩和剪力，其动力响应同样显著。

工程实践启示

吊杆断裂的预防与监测

基于文献的研究结论，在实际工程中应采取以下措施预防吊杆断裂：

1. 吊杆的防腐保护：吊杆通常采用高强度钢丝或钢绞线，其防腐保护至关重要。应采用热浸镀锌、环氧涂层或PE护套等多层防腐措施，延长吊杆的使用寿命。
2. 吊杆的定期检测：应建立吊杆的定期检测制度，包括外观检查、无损检测和力学性能测试，及时发现吊杆的腐蚀、疲劳和损伤。
3. 结构健康监测：应在拱桥上安装结构健康监测系统，实时监测吊杆的应力、应变和振动状态，及时发现异常情况。

吊杆断裂后的应急处置

在吊杆断裂后的应急处置中，应特别注意以下事项：

1. 立即封闭交通：吊杆断裂后应立即封闭交通，避免车辆荷载加剧结构破坏。
2. 临时支撑：在断裂吊杆附近设置临时支撑，分担断裂吊杆的荷载，防止连锁断裂。
3. 结构评估：在临时支撑到位后，对结构进行全面评估，确定结构的剩余承载力和安全状态。
4. 修复方案：根据结构评估结果，制定修复方案，包括吊杆更换、加劲纵梁补强等措施。

学习心得与总结

这篇文献的核心贡献在于通过有限元模拟和动力系数分析，揭示了下承式钢管混凝土拱桥在吊杆断裂工况下的动力响应规律，为工程设计提供了实用的动力系数取值建议。对于从事钢管制造、焊接和结构设计的同行技术人员而言，其启示在于：吊杆断裂是下承式拱桥面临的严重灾害工况，钢管拱肋和焊接接头在吊杆断裂工况下承受着远超正常使用工况的荷载效应。在实际工程中，应充分考虑吊杆断裂工况的荷载效应，合理选择钢管材质和焊接工艺，严格控制焊接质量，确保拱肋在吊杆断裂工况下具有足够的承载力和稳定性。同时，应建立完善的吊杆防腐保护和结构健康监测系统，及时发现和处理吊杆的腐蚀和损伤，预防吊杆断裂事故的发生，确保拱桥结构的安全可靠运行。