斜拉索风致振动疲劳的分析

　　近年来,由于斜拉桥的大量修建及其跨度的不断增大,斜拉索的长度也随之不断加大。由于斜拉索的柔性特征和对环境载荷(例如:风、交通载荷)的响应,将引起斜拉索的剧烈振动和相应的疲劳损伤。据美国土木工程学会(ASCE)的统计, 80%—90%的钢结构破坏与疲劳损伤有关。因此,对斜拉索的疲劳进行研究具有重要的意义。当前,国内外对疲劳可靠度进行计算的常用方法有:一次二阶矩方法(包括中心点法、改进的一次二阶矩法、JC方法、实用分析方法、图解渐进法)和蒙特卡罗(Monte Carlo)法等[1-3]。例如,杨美良等[4]依据等效疲劳损伤原理,利用蒙特卡罗法随机抽样模拟出斜拉索的应力时程;假定结构疲劳寿命服从威布尔分布,推导出了疲劳可靠度公式。本文将使用一次二阶矩可靠度分析方法,对预应力斜拉索疲劳可靠度进行系统的研究。我们假设在任一应力循环周期内,考察点的最大与最小应力之差符合Rayleigh分布,以推导出疲劳可靠度计算公式。根据桥梁结构的疲劳目标可靠度,得出简单的疲劳寿命计算公式。而且,基于目前已有的研究,评价不同的风攻角对疲劳可靠度及疲劳寿命的影响。最后,以松花江斜拉桥中的斜拉索为实例,对其最长的斜拉索进行了疲劳可靠度分析及疲劳寿命的估算,验证了其风致振动疲劳的性能。

　　1　基于应力水平的疲劳可靠度

　　对某构造细节的S-N曲线可表示为:NSb=C(1)式中:S为应力幅;N为应力循环次数;而b和C为与构造细节相关的常数。一般而言,应力为变幅过程,并且正的应力均值(即拉应力)是有害的,它将使疲劳寿命降低。当应力过程均值SM为较大的拉应力时,须用合适的准则来对式(1)加以修正[5]。当使用古德曼(Goodman)方程作为修正式时,式(1)可再写为:

　　4　数值研究

　　本文选用松花江斜拉桥中的斜拉索为实例,对该斜拉索进行疲劳可靠度分析及疲劳寿命估算。松花江斜拉桥位于哈尔滨市区北郊,该桥采用双塔双索面半漂浮体系,引桥采用预应力混凝土连续箱梁结构。桥梁全长1 268.86 m,主桥全长696 m,引桥长572. 86m。桥跨布置为: 6×40 m (南引桥) + 44m (过渡跨)+ 136 m (边跨) + 336 m (主跨) + 136 m (边跨)+ 44m (过渡跨) + 8×40m (北引桥)。松花江斜拉桥采用热挤聚乙烯半平行拉索,拉索采用7低松弛预应力镀锌高强钢丝。同心同向扭绞2°—4°,外包PE防护材料。全桥共计52对拉索,其丝数为163丝—367丝。设计索力为3 940 kN—8 870 kN。拉索索面为空间扇形,自上至下向桥外侧倾斜;塔内拉索虚交点间竖向距离为2. 0 m ,最上端索距塔顶面4. 92m。主梁上拉索锚固点水平间距12. 0m。1#索锚固点距顺桥向塔中心水平距离为15. 2 m。以边跨最长索为例,其索长为180 m,设计索力为8 869. 6 kN,恒载索力为6 754kN。索与主梁的轴向夹角为28. 804°。