基于極限承載力視角：中承式拱橋魯棒性的深度剖析與量化研究一、引言1.1研究背景與意義1.1.1研究背景橋梁作為交通基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵組成部分，在現(xiàn)代社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們的日常生活中發(fā)揮著舉足輕重的作用。它不僅是連接不同地區(qū)的交通紐帶，更是促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)交流與合作的重要支撐。然而，近年來，橋梁安全事故頻發(fā)，給人們的生命財(cái)產(chǎn)帶來了巨大損失，也對社會(huì)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展造成了嚴(yán)重影響。例如，2019年10月10日，江蘇省無錫市錫山區(qū)312國道上海方向k135處的跨橋橋面突然側(cè)翻，導(dǎo)致3人死亡，2人受傷。經(jīng)調(diào)查，事故原因主要是貨車嚴(yán)重超載，使得橋梁承受的荷載遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)承載能力，最終引發(fā)橋面?zhèn)确?。又如?021年12月18日，湖北省鄂州市境內(nèi)的滬渝高速滬渝向轉(zhuǎn)大廣高速匝道橋發(fā)生橋梁側(cè)翻事故，造成4人死亡、8人受傷。事故車輛載重198噸，超載達(dá)400%。這些事故表明，橋梁結(jié)構(gòu)在面臨極端荷載或局部損傷時(shí)，其安全性和穩(wěn)定性面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在眾多橋梁類型中，中承式拱橋以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式和美學(xué)價(jià)值，在橋梁建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。中承式拱橋的行車道系位于拱肋矢高的中間部位，橋面系一部分用吊桿懸掛在拱肋下，一部分用立柱支撐在拱肋上。這種結(jié)構(gòu)形式使得中承式拱橋在受力性能上具有一定的優(yōu)勢，能夠有效地承受豎向荷載和水平推力。然而，當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)局部損傷，如吊桿斷裂、拱肋開裂等情況時(shí)，其力學(xué)性能會(huì)發(fā)生顯著變化，進(jìn)而可能引發(fā)結(jié)構(gòu)的整體破壞。例如，某中承式拱橋在運(yùn)營過程中，由于吊桿長期受到疲勞荷載作用，出現(xiàn)了吊桿斷裂的情況。這一局部損傷導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布，使得相鄰吊桿的受力急劇增大，最終可能危及整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的安全。隨著交通量的不斷增長和車輛載重的日益增加，中承式拱橋面臨的運(yùn)營環(huán)境更加復(fù)雜，對其結(jié)構(gòu)安全性和可靠性提出了更高的要求。因此，研究中承式拱橋在局部損傷情況下的力學(xué)性能變化，評估其結(jié)構(gòu)魯棒性，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和緊迫性。結(jié)構(gòu)魯棒性作為衡量結(jié)構(gòu)在局部損傷或極端荷載作用下，仍能保持整體穩(wěn)定性和正常使用功能的能力，已成為當(dāng)前土木工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。通過對中承式拱橋魯棒性的研究，可以深入了解結(jié)構(gòu)在不利工況下的響應(yīng)規(guī)律，為橋梁的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)，有效提高橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，降低事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。1.1.2研究意義本研究基于極限承載力對中承式拱橋魯棒性進(jìn)行分析，具有重要的理論和實(shí)際工程意義，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：保障橋梁安全：深入分析中承式拱橋在不同損傷場景下的極限承載力變化，評估其魯棒性水平，能夠全面了解橋梁結(jié)構(gòu)在極端情況下的性能表現(xiàn)。通過識別結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，提前采取有效的加固和防護(hù)措施，可顯著提高橋梁的安全性和可靠性，降低橋梁在運(yùn)營過程中發(fā)生突然倒塌等災(zāi)難性事故的風(fēng)險(xiǎn)，保障人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。例如，在某中承式拱橋的加固工程中，通過魯棒性分析確定了吊桿和拱肋的關(guān)鍵連接部位為薄弱環(huán)節(jié)，針對性地加強(qiáng)了這些部位的構(gòu)造措施，提高了橋梁的整體魯棒性，確保了橋梁在后續(xù)運(yùn)營中的安全穩(wěn)定。指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)：傳統(tǒng)的橋梁設(shè)計(jì)方法主要側(cè)重于結(jié)構(gòu)在正常使用荷載下的性能，對結(jié)構(gòu)在局部損傷或極端荷載作用下的魯棒性考慮相對不足。本研究成果可為中承式拱橋的設(shè)計(jì)提供新的思路和方法，將魯棒性理念融入到設(shè)計(jì)過程中，使設(shè)計(jì)出的橋梁結(jié)構(gòu)不僅滿足正常使用要求，還具備更強(qiáng)的抵抗局部損傷和極端事件的能力。例如，在新的中承式拱橋設(shè)計(jì)中，根據(jù)魯棒性分析結(jié)果，合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)體系和構(gòu)件布置，增加結(jié)構(gòu)的冗余度，提高結(jié)構(gòu)在意外情況下的內(nèi)力重分布能力，從而提高橋梁的魯棒性。優(yōu)化工程維護(hù)：在橋梁運(yùn)營過程中，通過定期監(jiān)測和基于魯棒性的評估，可以及時(shí)掌握橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀況，準(zhǔn)確判斷結(jié)構(gòu)的損傷程度和發(fā)展趨勢。根據(jù)評估結(jié)果制定科學(xué)合理的維護(hù)策略，有針對性地對結(jié)構(gòu)進(jìn)行維修和加固，可避免不必要的維修成本，提高維護(hù)工作的效率和質(zhì)量，延長橋梁的使用壽命。例如，對于某座出現(xiàn)吊桿局部銹蝕的中承式拱橋，通過魯棒性評估確定了銹蝕對結(jié)構(gòu)整體性能的影響程度，據(jù)此制定了合理的吊桿更換和防腐處理方案，有效保障了橋梁的正常運(yùn)營，同時(shí)避免了過度維修帶來的資源浪費(fèi)。綜上所述，本研究對于學(xué)術(shù)界進(jìn)一步深入理解中承式拱橋的力學(xué)性能和魯棒性特征具有重要的理論價(jià)值，同時(shí)也為工程界在橋梁設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)等方面提供了切實(shí)可行的技術(shù)支持和決策依據(jù)，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1中承式拱橋極限承載力研究現(xiàn)狀中承式拱橋極限承載力的研究一直是橋梁工程領(lǐng)域的重要課題，國內(nèi)外學(xué)者通過理論分析、數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究等多種方法，對其進(jìn)行了廣泛而深入的探索。在理論分析方面，早期的研究主要基于經(jīng)典力學(xué)和彈性理論，采用簡化的計(jì)算模型來分析拱橋的受力性能和極限承載力。隨著力學(xué)理論的不斷發(fā)展和完善，有限元理論逐漸成為分析中承式拱橋極限承載力的重要工具。有限元方法能夠較為準(zhǔn)確地模擬拱橋的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和非線性行為，考慮材料非線性、幾何非線性以及邊界條件等因素的影響，為極限承載力的計(jì)算提供了更為精確的方法。例如，文獻(xiàn)[X]基于有限元理論，建立了中承式拱橋的精細(xì)化模型，通過對模型的非線性分析，研究了拱橋在不同荷載工況下的極限承載力，并與傳統(tǒng)理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比，驗(yàn)證了有限元方法的有效性和準(zhǔn)確性。在數(shù)值模擬方面，眾多學(xué)者利用大型通用有限元軟件，如ANSYS、ABAQUS等，對中承式拱橋進(jìn)行了數(shù)值建模和分析。通過合理選擇單元類型、材料本構(gòu)關(guān)系和邊界條件，能夠模擬拱橋在各種荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)和破壞過程，從而深入研究其極限承載力的影響因素。研究發(fā)現(xiàn)，拱肋的截面形式、材料性能、矢跨比、吊桿布置以及荷載分布方式等因素對中承式拱橋的極限承載力均有顯著影響。例如，文獻(xiàn)[X]通過數(shù)值模擬研究了不同矢跨比對中承式拱橋極限承載力的影響，結(jié)果表明，矢跨比的增大能夠提高拱橋的整體穩(wěn)定性和極限承載力，但過大的矢跨比也會(huì)導(dǎo)致拱肋內(nèi)力分布不均勻，增加施工難度。在試驗(yàn)研究方面，為了驗(yàn)證理論分析和數(shù)值模擬的結(jié)果，學(xué)者們開展了一系列的模型試驗(yàn)和足尺試驗(yàn)。模型試驗(yàn)通常采用縮尺模型，通過施加不同的荷載工況，測量模型的應(yīng)力、應(yīng)變和變形等參數(shù)，從而研究拱橋的力學(xué)性能和破壞機(jī)理。足尺試驗(yàn)則是在實(shí)際橋梁上進(jìn)行加載試驗(yàn)，能夠更真實(shí)地反映橋梁在實(shí)際使用條件下的受力狀態(tài)和極限承載力。例如，文獻(xiàn)[X]對一座中承式鋼管混凝土拱橋進(jìn)行了足尺試驗(yàn)，通過逐級加載至破壞，獲取了拱橋在極限狀態(tài)下的荷載-位移曲線、應(yīng)力分布規(guī)律以及破壞形態(tài)等數(shù)據(jù)，為理論分析和數(shù)值模擬提供了寶貴的試驗(yàn)依據(jù)。1.2.2中承式拱橋魯棒性研究現(xiàn)狀魯棒性作為衡量結(jié)構(gòu)在局部損傷或極端荷載作用下保持整體穩(wěn)定性和正常使用功能能力的重要指標(biāo)，近年來在橋梁工程領(lǐng)域受到了越來越多的關(guān)注。中承式拱橋魯棒性的研究主要集中在結(jié)構(gòu)魯棒性的定義、評估方法以及提高措施等方面。在結(jié)構(gòu)魯棒性的定義方面，目前尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)定義，但大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為魯棒性應(yīng)包括結(jié)構(gòu)的安全性、完整性和冗余性等方面。結(jié)構(gòu)在局部損傷或極端荷載作用下，不應(yīng)發(fā)生與損傷原因不成比例的破壞，仍能保持一定的承載能力和整體穩(wěn)定性，以確保人員和財(cái)產(chǎn)的安全。在評估方法方面，常用的中承式拱橋魯棒性評估方法主要有基于可靠度理論的方法、基于能量原理的方法以及基于結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件的方法等。基于可靠度理論的方法通過計(jì)算結(jié)構(gòu)在不同損傷狀態(tài)下的失效概率，來評估結(jié)構(gòu)的魯棒性；基于能量原理的方法則從能量的角度出發(fā)，分析結(jié)構(gòu)在損傷過程中的能量變化，以能量指標(biāo)來衡量結(jié)構(gòu)的魯棒性；基于結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件的方法通過識別結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵構(gòu)件，分析關(guān)鍵構(gòu)件損傷對結(jié)構(gòu)整體性能的影響，從而評估結(jié)構(gòu)的魯棒性。例如，文獻(xiàn)[X]采用基于可靠度理論的方法，對一座中承式拱橋進(jìn)行了魯棒性評估，考慮了吊桿斷裂、拱肋損傷等多種損傷工況，計(jì)算了結(jié)構(gòu)在不同損傷狀態(tài)下的失效概率，評估了結(jié)構(gòu)的魯棒性水平。在提高措施方面，為了提高中承式拱橋的魯棒性，學(xué)者們提出了多種方法和措施。例如，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)體系和構(gòu)件布置，增加結(jié)構(gòu)的冗余度，提高結(jié)構(gòu)在局部損傷情況下的內(nèi)力重分布能力；采用高性能材料和先進(jìn)的施工工藝，提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和耐久性；加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測和維護(hù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理結(jié)構(gòu)的損傷，確保結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行。文獻(xiàn)[X]提出了一種采用鋼管桁架加勁縱梁的懸吊橋面系強(qiáng)健性加固結(jié)構(gòu)，通過試驗(yàn)和有限元分析，研究了該加固結(jié)構(gòu)對中承式拱橋魯棒性的影響，結(jié)果表明，采用該加固結(jié)構(gòu)可有效增強(qiáng)中承式拱橋懸吊橋面系的強(qiáng)健性，提高結(jié)構(gòu)的魯棒性。1.2.3研究現(xiàn)狀總結(jié)與展望綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者在中承式拱橋極限承載力和魯棒性方面已經(jīng)取得了豐碩的研究成果。在極限承載力研究方面，理論分析、數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究等方法相互補(bǔ)充，為深入了解中承式拱橋的力學(xué)性能和破壞機(jī)理提供了有力支持。在魯棒性研究方面，雖然已經(jīng)提出了多種評估方法和提高措施，但目前仍存在一些問題和挑戰(zhàn)，如結(jié)構(gòu)魯棒性的定義尚未統(tǒng)一，評估指標(biāo)和方法有待進(jìn)一步完善，提高魯棒性的措施在實(shí)際工程中的應(yīng)用還需要進(jìn)一步加強(qiáng)等。未來的研究可以從以下幾個(gè)方面展開：一是進(jìn)一步完善中承式拱橋魯棒性的定義和評估體系，建立更加科學(xué)、合理的魯棒性評估指標(biāo)和方法，使其能夠更準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)在復(fù)雜工況下的性能；二是深入研究中承式拱橋在多種災(zāi)害耦合作用下的魯棒性，如地震、風(fēng)災(zāi)、船撞等災(zāi)害同時(shí)發(fā)生時(shí)對結(jié)構(gòu)的影響，為橋梁的防災(zāi)減災(zāi)提供理論支持；三是加強(qiáng)提高中承式拱橋魯棒性的新技術(shù)、新材料和新方法的研究與應(yīng)用，推動(dòng)橋梁工程技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新；四是結(jié)合實(shí)際工程案例，對中承式拱橋的魯棒性進(jìn)行深入分析和驗(yàn)證，將研究成果更好地應(yīng)用于工程實(shí)踐，提高橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究基于極限承載力對中承式拱橋魯棒性展開深入分析，具體研究內(nèi)容如下：中承式拱橋極限承載力計(jì)算：運(yùn)用有限元理論，借助大型通用有限元軟件如ANSYS、ABAQUS等，構(gòu)建中承式拱橋的精細(xì)化數(shù)值模型。在建模過程中，充分考慮材料非線性，采用合適的材料本構(gòu)關(guān)系來描述材料在復(fù)雜受力狀態(tài)下的力學(xué)行為；考慮幾何非線性，精確模擬結(jié)構(gòu)在大變形情況下的幾何形態(tài)變化；考慮邊界條件的實(shí)際情況，確保模型能夠真實(shí)反映橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)。通過對模型進(jìn)行非線性分析，計(jì)算中承式拱橋在正常使用荷載和極端荷載作用下的極限承載力，得到結(jié)構(gòu)的荷載-位移曲線、應(yīng)力分布云圖等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，深入了解結(jié)構(gòu)在加載過程中的力學(xué)響應(yīng)和破壞機(jī)理?；跇O限承載力的魯棒性分析方法研究：提出一種基于結(jié)構(gòu)損傷前后極限承載力變化的魯棒性指標(biāo)，對中承式拱橋的魯棒性進(jìn)行量化表示。該指標(biāo)能夠綜合反映結(jié)構(gòu)在局部損傷情況下，極限承載力的降低程度以及結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性變化。建立中承式拱橋在不同局部損傷場景下的有限元模型，如吊桿斷裂、拱肋開裂等，模擬損傷發(fā)生后結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為變化。通過對比損傷前后結(jié)構(gòu)的極限承載力，計(jì)算魯棒性指標(biāo)，評估結(jié)構(gòu)在不同損傷場景下的魯棒性水平。中承式拱橋魯棒性影響因素探究：從結(jié)構(gòu)體系、構(gòu)件特性和荷載條件等多個(gè)方面，深入研究影響中承式拱橋魯棒性的因素。在結(jié)構(gòu)體系方面，分析不同的拱肋形式、吊桿布置方式以及橋面系結(jié)構(gòu)對魯棒性的影響；在構(gòu)件特性方面，探討拱肋和吊桿的材料性能、截面尺寸等因素對結(jié)構(gòu)魯棒性的作用；在荷載條件方面，研究不同的荷載分布方式、荷載組合以及極端荷載的作用對中承式拱橋魯棒性的影響規(guī)律。通過參數(shù)分析，明確各因素對魯棒性的影響程度，為提高中承式拱橋的魯棒性提供理論依據(jù)。工程案例分析：選取實(shí)際的中承式拱橋工程案例，運(yùn)用上述研究成果和方法，對其進(jìn)行魯棒性分析。根據(jù)工程圖紙和現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)，建立該橋梁的有限元模型，模擬其在實(shí)際運(yùn)營過程中可能出現(xiàn)的局部損傷場景。計(jì)算結(jié)構(gòu)在不同損傷狀態(tài)下的極限承載力和魯棒性指標(biāo)，評估橋梁的魯棒性水平。結(jié)合分析結(jié)果，針對橋梁結(jié)構(gòu)存在的薄弱環(huán)節(jié)，提出具體的加固和改進(jìn)措施，驗(yàn)證研究方法的可行性和有效性，為實(shí)際工程的設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)提供參考。1.3.2研究方法本研究采用理論分析、數(shù)值模擬和案例研究相結(jié)合的方法，全面深入地開展基于極限承載力的中承式拱橋魯棒性分析。理論分析：基于結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)和彈性力學(xué)等基本理論，推導(dǎo)中承式拱橋在不同受力狀態(tài)下的內(nèi)力計(jì)算公式和變形協(xié)調(diào)方程。研究結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性理論，分析中承式拱橋在極限狀態(tài)下的失穩(wěn)模式和臨界荷載。深入探討結(jié)構(gòu)魯棒性的基本概念和原理，明確魯棒性的定義、內(nèi)涵和評估指標(biāo)，為后續(xù)的研究提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。通過理論分析，揭示中承式拱橋的力學(xué)性能和魯棒性的內(nèi)在規(guī)律，為數(shù)值模擬和案例研究提供理論指導(dǎo)。數(shù)值模擬：利用大型通用有限元軟件ANSYS、ABAQUS等，建立中承式拱橋的三維有限元模型。在建模過程中，根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和材料性能，合理選擇單元類型，如采用梁單元模擬拱肋、吊桿和橫梁，采用殼單元模擬橋面系等；準(zhǔn)確定義材料本構(gòu)關(guān)系，考慮材料的非線性特性，如鋼材的彈塑性、混凝土的開裂和壓碎等；精確設(shè)置邊界條件，模擬結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)、支座之間的連接方式和約束條件。通過對模型施加不同的荷載工況，模擬中承式拱橋在正常使用荷載、極端荷載以及局部損傷情況下的力學(xué)響應(yīng)。對模擬結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析，獲取結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變、位移等數(shù)據(jù)，繪制荷載-位移曲線、內(nèi)力分布云圖等，直觀地展示結(jié)構(gòu)的受力性能和變形特征。數(shù)值模擬方法能夠快速、準(zhǔn)確地分析結(jié)構(gòu)在各種復(fù)雜工況下的性能，為理論分析提供驗(yàn)證和補(bǔ)充，同時(shí)也為案例研究提供數(shù)據(jù)支持。案例研究：選取具有代表性的中承式拱橋工程案例，收集橋梁的設(shè)計(jì)圖紙、施工記錄、檢測報(bào)告等相關(guān)資料。運(yùn)用理論分析和數(shù)值模擬的方法，對案例橋梁進(jìn)行全面的魯棒性分析。根據(jù)橋梁的實(shí)際運(yùn)營情況，確定可能出現(xiàn)的局部損傷場景，如吊桿的銹蝕斷裂、拱肋的疲勞開裂等。通過有限元模擬，計(jì)算結(jié)構(gòu)在不同損傷場景下的極限承載力和魯棒性指標(biāo)，評估橋梁的魯棒性水平。結(jié)合分析結(jié)果，針對橋梁存在的問題，提出切實(shí)可行的加固和改進(jìn)建議，并與實(shí)際工程中的維護(hù)措施進(jìn)行對比分析。案例研究能夠?qū)⒗碚撗芯砍晒麘?yīng)用于實(shí)際工程，驗(yàn)證研究方法的可行性和有效性，同時(shí)也為工程實(shí)踐提供參考和借鑒，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。二、中承式拱橋極限承載力與魯棒性理論基礎(chǔ)2.1中承式拱橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與力學(xué)特性2.1.1結(jié)構(gòu)組成與特點(diǎn)中承式拱橋主要由拱肋、吊桿、橋面系、立柱和橋墩等部分組成，各部分相互協(xié)作，共同承受橋梁上的各種荷載，確保橋梁的穩(wěn)定和安全。拱肋：作為中承式拱橋的主要承重構(gòu)件，拱肋通常采用鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)拱肋具有強(qiáng)度高、自重輕、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效減輕橋梁的自重，提高跨越能力；鋼筋混凝土拱肋則具有耐久性好、造價(jià)相對較低等特點(diǎn)，適用于對耐久性要求較高的工程。拱肋的截面形式多樣，常見的有矩形、工字形、箱形等。矩形截面構(gòu)造簡單，施工方便，但在受力性能上相對較弱；工字形截面在保證一定強(qiáng)度的同時(shí)，能夠節(jié)省材料，提高結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性；箱形截面具有較大的抗彎和抗扭剛度，適用于大跨度拱橋。拱肋的矢跨比是影響拱橋受力性能和外觀的重要參數(shù)，一般在1/4-1/7之間。矢跨比過大，拱肋的水平推力增大，對橋墩和基礎(chǔ)的要求提高；矢跨比過小，拱肋的受力狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化，可能導(dǎo)致拱頂出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，影響結(jié)構(gòu)的安全。吊桿：吊桿是連接拱肋和橋面系的重要構(gòu)件，其作用是將橋面系傳來的荷載傳遞到拱肋上。吊桿一般采用高強(qiáng)鋼絲索或鋼絞線制作，具有較高的抗拉強(qiáng)度和柔韌性。根據(jù)受力特點(diǎn)，吊桿可分為剛性吊桿和柔性吊桿。剛性吊桿通常采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，除了承受軸向拉力外，還能抵抗一定的彎矩；柔性吊桿則主要承受軸向拉力，其優(yōu)點(diǎn)是自重輕、安裝方便，但在抗風(fēng)穩(wěn)定性方面相對較弱。吊桿的間距和布置方式會(huì)影響橋面系的受力分布和變形情況，合理的吊桿布置能夠使橋面系的受力更加均勻，減少局部應(yīng)力集中。橋面系：橋面系是橋梁的行車部分，主要由縱梁、橫梁和橋面板組成?？v梁和橫梁相互連接，形成平面框架，共同承受橋面板傳來的荷載，并將其傳遞到吊桿和立柱上。橋面板通常采用鋼筋混凝土板或鋼板，直接承受車輛荷載和人群荷載。橋面系的結(jié)構(gòu)形式和剛度對橋梁的行車舒適性和整體性能有重要影響。例如，采用連續(xù)橋面系可以減少橋面的伸縮縫數(shù)量，提高行車的平穩(wěn)性；增加橋面系的剛度可以減小橋梁在荷載作用下的變形，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。立柱：立柱主要用于支撐橋面系的一部分，將其荷載傳遞到拱肋上。立柱一般采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，具有較高的抗壓強(qiáng)度。立柱的高度和間距根據(jù)橋梁的設(shè)計(jì)要求和結(jié)構(gòu)布置確定，合理的立柱設(shè)置能夠保證橋面系的穩(wěn)定，同時(shí)協(xié)調(diào)拱肋和橋面系之間的受力關(guān)系。橋墩：橋墩是支撐拱肋和橋面系的重要結(jié)構(gòu)，將橋梁的全部荷載傳遞到地基上。橋墩通常采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)，其形式和尺寸根據(jù)橋梁的跨度、荷載大小以及地質(zhì)條件等因素確定。在設(shè)計(jì)橋墩時(shí)，需要考慮其承受水平推力和豎向荷載的能力，確保橋墩在各種工況下的穩(wěn)定性。中承式拱橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使其具有獨(dú)特的力學(xué)性能和美學(xué)價(jià)值。其結(jié)構(gòu)形式簡潔美觀，能夠與周圍環(huán)境相融合，成為城市景觀的一部分。同時(shí)，中承式拱橋在受力性能上具有較大的優(yōu)勢，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和構(gòu)件布置，能夠有效地承受豎向荷載和水平推力，具有較高的承載能力和穩(wěn)定性。2.1.2力學(xué)特性分析中承式拱橋在不同荷載作用下，其受力狀態(tài)和變形特征較為復(fù)雜，受到多種因素的綜合影響。豎向荷載作用下的受力分析：當(dāng)橋梁承受豎向荷載時(shí)，如車輛荷載、人群荷載等，橋面系將荷載傳遞給吊桿和立柱，再由吊桿和立柱將荷載傳遞到拱肋上。拱肋主要承受壓力，通過拱的曲線形狀將豎向荷載轉(zhuǎn)化為軸向壓力，從而有效地發(fā)揮材料的抗壓性能。在豎向荷載作用下，拱肋的拱頂部位承受較大的壓力，而拱腳部位則承受較大的水平推力和豎向反力。同時(shí)，吊桿和立柱也會(huì)承受相應(yīng)的拉力和壓力，其受力大小與荷載的分布和結(jié)構(gòu)的布置有關(guān)。例如，當(dāng)荷載集中作用在橋面系的某一區(qū)域時(shí)，該區(qū)域附近的吊桿和立柱受力會(huì)明顯增大。水平荷載作用下的受力分析：水平荷載主要包括風(fēng)荷載和地震荷載。在風(fēng)荷載作用下，中承式拱橋會(huì)受到橫向風(fēng)力和豎向風(fēng)力的作用。橫向風(fēng)力會(huì)使拱肋產(chǎn)生橫向彎曲和扭轉(zhuǎn)，同時(shí)也會(huì)對吊桿和橋面系產(chǎn)生影響；豎向風(fēng)力則會(huì)改變拱肋的受力狀態(tài)，增加拱頂?shù)膲毫?。為了提高中承式拱橋在風(fēng)荷載作用下的穩(wěn)定性，通常會(huì)采取一些措施，如設(shè)置橫向風(fēng)撐、優(yōu)化拱肋的截面形狀等。在地震荷載作用下，中承式拱橋的結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生慣性力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形增大。地震荷載的作用方向和大小具有不確定性，對橋梁的結(jié)構(gòu)安全構(gòu)成較大威脅。因此，在設(shè)計(jì)中承式拱橋時(shí)，需要進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，考慮地震作用對結(jié)構(gòu)的影響，采取相應(yīng)的抗震措施，如增加結(jié)構(gòu)的阻尼、提高結(jié)構(gòu)的延性等。溫度作用下的受力分析：溫度變化會(huì)導(dǎo)致中承式拱橋的結(jié)構(gòu)材料發(fā)生熱脹冷縮，從而產(chǎn)生溫度應(yīng)力。當(dāng)溫度升高時(shí)，拱肋伸長，會(huì)受到橋墩和基礎(chǔ)的約束，產(chǎn)生壓應(yīng)力；當(dāng)溫度降低時(shí)，拱肋收縮，會(huì)受到橋墩和基礎(chǔ)的約束，產(chǎn)生拉應(yīng)力。溫度應(yīng)力的大小與溫度變化幅度、結(jié)構(gòu)的約束條件以及材料的熱膨脹系數(shù)等因素有關(guān)。如果溫度應(yīng)力過大，可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫、變形等問題，影響橋梁的安全使用。為了減小溫度作用對中承式拱橋的影響，可以采取一些措施，如設(shè)置伸縮縫、采用溫度補(bǔ)償材料等。變形特征分析：在荷載作用下，中承式拱橋會(huì)產(chǎn)生不同程度的變形，主要包括豎向變形、橫向變形和扭轉(zhuǎn)變形。豎向變形是指橋梁在豎向荷載作用下的下沉或上拱，其大小與荷載的大小、結(jié)構(gòu)的剛度以及材料的彈性模量等因素有關(guān)。過大的豎向變形會(huì)影響橋梁的行車舒適性和安全性，因此在設(shè)計(jì)中需要對豎向變形進(jìn)行控制。橫向變形是指橋梁在橫向荷載作用下的水平位移，如在風(fēng)荷載作用下，拱肋可能會(huì)發(fā)生橫向擺動(dòng)。橫向變形過大可能會(huì)導(dǎo)致橋梁的側(cè)向失穩(wěn)，因此需要采取措施提高橋梁的橫向穩(wěn)定性。扭轉(zhuǎn)變形是指橋梁在扭矩作用下的轉(zhuǎn)動(dòng)，如在偏心荷載作用下，橋面系可能會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)。扭轉(zhuǎn)變形會(huì)使結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)變得復(fù)雜，對結(jié)構(gòu)的安全產(chǎn)生不利影響，因此在設(shè)計(jì)中需要考慮結(jié)構(gòu)的抗扭性能。2.2極限承載力計(jì)算理論與方法2.2.1理論基礎(chǔ)在中承式拱橋極限承載力的計(jì)算中，結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)等相關(guān)理論為其提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。結(jié)構(gòu)力學(xué)主要研究結(jié)構(gòu)的組成規(guī)律和受力性能，是分析中承式拱橋力學(xué)行為的重要工具。通過結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本原理，如靜力平衡原理、變形協(xié)調(diào)原理等，可以對中承式拱橋在各種荷載作用下的內(nèi)力分布和變形情況進(jìn)行深入分析。在計(jì)算中承式拱橋的拱肋內(nèi)力時(shí)，可利用結(jié)構(gòu)力學(xué)中的拱結(jié)構(gòu)計(jì)算方法，根據(jù)拱的幾何形狀、荷載分布以及邊界條件，求解拱肋在不同截面處的彎矩、軸力和剪力。對于超靜定的中承式拱橋結(jié)構(gòu)，還需運(yùn)用力法、位移法或矩陣位移法等結(jié)構(gòu)力學(xué)方法，考慮結(jié)構(gòu)的多余約束和內(nèi)力重分布，準(zhǔn)確計(jì)算結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形。這些計(jì)算結(jié)果對于評估中承式拱橋的承載能力和穩(wěn)定性具有重要意義，能夠幫助工程師了解結(jié)構(gòu)在不同荷載工況下的受力狀態(tài)，從而為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安全評估提供依據(jù)。材料力學(xué)則側(cè)重于研究材料在各種受力情況下的力學(xué)性能和變形規(guī)律，為中承式拱橋極限承載力的計(jì)算提供了關(guān)鍵的材料參數(shù)和本構(gòu)關(guān)系。在中承式拱橋中，拱肋、吊桿、立柱等構(gòu)件通常采用不同的材料，如鋼材、混凝土等。這些材料的力學(xué)性能，如彈性模量、屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度等，直接影響著結(jié)構(gòu)的承載能力和變形特性。通過材料力學(xué)的理論和試驗(yàn)方法，可以確定材料的力學(xué)性能參數(shù)，并建立相應(yīng)的本構(gòu)關(guān)系，以描述材料在受力過程中的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。在計(jì)算拱肋的極限承載力時(shí)，需要考慮鋼材或混凝土的非線性本構(gòu)關(guān)系，如鋼材的彈塑性本構(gòu)關(guān)系、混凝土的受壓損傷本構(gòu)關(guān)系等。這些本構(gòu)關(guān)系能夠準(zhǔn)確反映材料在復(fù)雜受力狀態(tài)下的力學(xué)行為，從而使極限承載力的計(jì)算更加準(zhǔn)確可靠。同時(shí)，材料力學(xué)還可以用于分析構(gòu)件在荷載作用下的應(yīng)力分布和變形情況，判斷構(gòu)件是否滿足強(qiáng)度和剛度要求，為構(gòu)件的設(shè)計(jì)和選材提供理論支持。2.2.2計(jì)算方法在中承式拱橋極限承載力的計(jì)算中，線性屈曲法和非線性有限元法是兩種常用的方法，它們各自具有獨(dú)特的原理和適用范圍。線性屈曲法基于小變形假設(shè)和線彈性理論，主要用于求解結(jié)構(gòu)在臨界狀態(tài)下的屈曲荷載和屈曲模態(tài)。其基本原理是通過建立結(jié)構(gòu)的剛度矩陣和荷載向量，求解特征值問題，得到結(jié)構(gòu)的臨界屈曲荷載和相應(yīng)的屈曲模態(tài)。在中承式拱橋的分析中，線性屈曲法可以快速地預(yù)估結(jié)構(gòu)的初始失穩(wěn)狀態(tài)，為后續(xù)的非線性分析提供參考。對于一些結(jié)構(gòu)形式較為簡單、材料處于彈性階段且?guī)缀畏蔷€性影響較小的中承式拱橋，線性屈曲法能夠較為準(zhǔn)確地計(jì)算其臨界屈曲荷載，為結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性評估提供重要依據(jù)。然而，線性屈曲法也存在一定的局限性，它忽略了結(jié)構(gòu)的幾何非線性和材料非線性，以及初始缺陷等因素的影響，因此計(jì)算結(jié)果往往偏于保守。在實(shí)際工程中，中承式拱橋通常會(huì)受到較大的荷載作用，結(jié)構(gòu)可能會(huì)進(jìn)入非線性階段，此時(shí)線性屈曲法的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況可能存在較大偏差。非線性有限元法是一種基于數(shù)值計(jì)算的方法，它能夠考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性、材料非線性以及邊界條件等多種因素，更加真實(shí)地模擬中承式拱橋在復(fù)雜荷載作用下的力學(xué)行為和破壞過程。該方法的基本思想是將連續(xù)的結(jié)構(gòu)離散化為有限個(gè)單元，通過節(jié)點(diǎn)連接這些單元，建立單元的剛度矩陣和整體剛度矩陣，然后利用迭代算法求解非線性方程組，得到結(jié)構(gòu)在不同荷載步下的位移、應(yīng)力和應(yīng)變等響應(yīng)。在考慮幾何非線性時(shí)，非線性有限元法能夠準(zhǔn)確地模擬結(jié)構(gòu)在大變形情況下的幾何形狀變化，如拱肋的撓曲、扭轉(zhuǎn)等，從而更加真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。在考慮材料非線性時(shí)，可根據(jù)材料的本構(gòu)關(guān)系，如鋼材的彈塑性本構(gòu)關(guān)系、混凝土的非線性本構(gòu)關(guān)系等，模擬材料在受力過程中的非線性行為，包括材料的屈服、強(qiáng)化和軟化等現(xiàn)象。非線性有限元法還可以考慮結(jié)構(gòu)的邊界條件，如支座的約束形式、地基的剛度等，以及結(jié)構(gòu)的初始缺陷，如幾何缺陷、材料缺陷等，使計(jì)算結(jié)果更加符合實(shí)際情況。對于大跨度、結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜或處于復(fù)雜受力狀態(tài)下的中承式拱橋，非線性有限元法具有明顯的優(yōu)勢，能夠?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、分析和評估提供更加準(zhǔn)確和詳細(xì)的信息。但非線性有限元法的計(jì)算過程較為復(fù)雜，需要耗費(fèi)大量的計(jì)算資源和時(shí)間，對計(jì)算模型的建立和參數(shù)設(shè)置要求也較高。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體問題的特點(diǎn)和要求，合理選擇計(jì)算方法，以確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。2.3魯棒性基本概念與分析方法2.3.1魯棒性定義與內(nèi)涵在土木工程領(lǐng)域，魯棒性是一個(gè)至關(guān)重要的概念，它主要用于衡量結(jié)構(gòu)在面對局部損傷、極端荷載或其他不確定性因素時(shí)，仍能維持整體穩(wěn)定性和正常使用功能的能力。這一概念強(qiáng)調(diào)了結(jié)構(gòu)的整體性和可靠性，不僅僅關(guān)注結(jié)構(gòu)在正常使用狀態(tài)下的性能，更重視結(jié)構(gòu)在遭受意外情況時(shí)的表現(xiàn)。例如，當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)的某一關(guān)鍵構(gòu)件因意外事件（如地震、撞擊、疲勞損傷等）出現(xiàn)局部破壞時(shí)，魯棒性好的結(jié)構(gòu)能夠通過自身的內(nèi)力重分布機(jī)制，將荷載有效地轉(zhuǎn)移到其他未受損的構(gòu)件上，從而避免結(jié)構(gòu)發(fā)生與局部損傷不成比例的倒塌或失效，保障結(jié)構(gòu)的整體安全。魯棒性的內(nèi)涵豐富，涵蓋了多個(gè)重要方面。結(jié)構(gòu)的冗余性是魯棒性的重要體現(xiàn)，冗余結(jié)構(gòu)能夠在部分構(gòu)件失效時(shí)，為結(jié)構(gòu)提供額外的承載路徑和儲(chǔ)備強(qiáng)度，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力。例如，在中承式拱橋中，合理布置的吊桿和拱肋之間形成了一定的冗余體系，當(dāng)某根吊桿出現(xiàn)斷裂時(shí)，其他吊桿能夠分擔(dān)其荷載，使結(jié)構(gòu)不至于立即喪失承載能力。結(jié)構(gòu)的延性也是魯棒性的關(guān)鍵要素，延性好的結(jié)構(gòu)在受力過程中能夠產(chǎn)生較大的變形而不發(fā)生突然破壞，這使得結(jié)構(gòu)在面對意外荷載時(shí)，有更多的時(shí)間和空間進(jìn)行內(nèi)力重分布，吸收和耗散能量，從而提高結(jié)構(gòu)的魯棒性。以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為例，通過合理配置鋼筋和設(shè)計(jì)構(gòu)件的截面尺寸，可以提高結(jié)構(gòu)的延性，使其在地震等災(zāi)害作用下能夠更好地保持整體穩(wěn)定性。此外，結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)性和可靠性也與魯棒性密切相關(guān)，自適應(yīng)性強(qiáng)的結(jié)構(gòu)能夠根據(jù)外部環(huán)境和荷載的變化自動(dòng)調(diào)整自身的力學(xué)性能，而可靠性高的結(jié)構(gòu)則能夠在各種復(fù)雜條件下穩(wěn)定地發(fā)揮其功能，這些特性都有助于提升結(jié)構(gòu)的魯棒性。2.3.2分析方法概述在研究中承式拱橋魯棒性時(shí)，常用的分析方法包括基于可靠度的方法、基于能量的方法以及基于結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件的方法等，這些方法從不同角度對結(jié)構(gòu)魯棒性進(jìn)行評估，各有其獨(dú)特的原理和應(yīng)用場景?；诳煽慷鹊姆椒ㄒ愿怕收摵蛿?shù)理統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)，通過建立結(jié)構(gòu)的可靠性模型，計(jì)算結(jié)構(gòu)在不同工況下的失效概率，從而評估結(jié)構(gòu)的魯棒性。該方法考慮了結(jié)構(gòu)材料性能、幾何尺寸、荷載等因素的不確定性，能夠定量地描述結(jié)構(gòu)在各種隨機(jī)因素影響下的可靠性水平。在中承式拱橋魯棒性分析中，基于可靠度的方法可以通過蒙特卡羅模擬等技術(shù)，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行大量的隨機(jī)抽樣分析，計(jì)算不同損傷場景下結(jié)構(gòu)的失效概率。若某一損傷場景下結(jié)構(gòu)的失效概率較低，則說明結(jié)構(gòu)在該情況下具有較好的魯棒性；反之，若失效概率較高，則表明結(jié)構(gòu)的魯棒性較差，需要采取相應(yīng)的措施進(jìn)行改進(jìn)。然而，基于可靠度的方法計(jì)算過程較為復(fù)雜，需要大量的樣本數(shù)據(jù)和計(jì)算資源，且對不確定性因素的建模和參數(shù)估計(jì)要求較高，這在一定程度上限制了其在實(shí)際工程中的廣泛應(yīng)用?；谀芰康姆椒◤哪芰康慕嵌瘸霭l(fā)，分析結(jié)構(gòu)在承受荷載和發(fā)生損傷過程中的能量變化，以能量指標(biāo)來衡量結(jié)構(gòu)的魯棒性。在正常使用狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)吸收和儲(chǔ)存的能量處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)；當(dāng)結(jié)構(gòu)受到局部損傷或極端荷載作用時(shí)，能量的吸收、耗散和傳遞機(jī)制會(huì)發(fā)生改變。通過研究這些能量變化，可以評估結(jié)構(gòu)在不同工況下的魯棒性。例如，在中承式拱橋受到地震作用時(shí)，結(jié)構(gòu)會(huì)吸收地震能量并通過構(gòu)件的變形和內(nèi)力重分布來耗散能量。基于能量的方法可以通過計(jì)算結(jié)構(gòu)在地震作用下的輸入能量、滯回耗能以及剩余能量等指標(biāo)，來判斷結(jié)構(gòu)的魯棒性。如果結(jié)構(gòu)能夠有效地吸收和耗散地震能量，且剩余能量較小，說明結(jié)構(gòu)具有較好的魯棒性，能夠在地震中保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)；反之，如果結(jié)構(gòu)的能量耗散能力不足，剩余能量較大，則結(jié)構(gòu)在地震中可能發(fā)生破壞，魯棒性較差?；谀芰康姆椒ㄎ锢砀拍钋逦?，能夠直觀地反映結(jié)構(gòu)在受力過程中的能量轉(zhuǎn)換和耗散情況，但在實(shí)際應(yīng)用中，準(zhǔn)確計(jì)算結(jié)構(gòu)的能量指標(biāo)較為困難，需要對結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為有深入的理解和精確的建模。基于結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件的方法則通過識別結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵構(gòu)件，分析關(guān)鍵構(gòu)件損傷對結(jié)構(gòu)整體性能的影響，進(jìn)而評估結(jié)構(gòu)的魯棒性。關(guān)鍵構(gòu)件是指那些對結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和承載能力起著決定性作用的構(gòu)件，一旦這些構(gòu)件發(fā)生破壞，可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的整體失效或嚴(yán)重破壞。在中承式拱橋中，拱肋、吊桿等通常被視為關(guān)鍵構(gòu)件。通過對關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行敏感性分析，研究其在不同損傷程度下對結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形和穩(wěn)定性的影響，可以評估結(jié)構(gòu)的魯棒性。當(dāng)拱肋出現(xiàn)嚴(yán)重開裂或斷裂時(shí)，結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)會(huì)發(fā)生顯著變化，可能導(dǎo)致橋梁的整體垮塌，說明結(jié)構(gòu)的魯棒性較差；而如果關(guān)鍵構(gòu)件在一定程度的損傷下，結(jié)構(gòu)仍能保持相對穩(wěn)定的性能，則表明結(jié)構(gòu)具有較好的魯棒性?；诮Y(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件的方法針對性強(qiáng)，能夠直接關(guān)注結(jié)構(gòu)中最薄弱的環(huán)節(jié)，但在實(shí)際應(yīng)用中，準(zhǔn)確識別關(guān)鍵構(gòu)件以及量化其損傷對結(jié)構(gòu)整體性能的影響具有一定的難度，需要綜合考慮結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)、構(gòu)件之間的相互作用以及各種不確定性因素。三、中承式拱橋極限承載力計(jì)算分析3.1有限元模型建立3.1.1模型選取與簡化本研究選取一座具有代表性的中承式拱橋作為研究對象，該橋位于[具體地理位置]，主跨跨徑為[X]m，矢跨比為[X]。橋梁的拱肋采用[具體材料]，截面形式為[具體截面形式]，吊桿采用[吊桿材料]，間距為[X]m，橋面系由[橋面系組成材料及結(jié)構(gòu)形式]構(gòu)成。在建立有限元模型時(shí)，對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理簡化，以提高計(jì)算效率并確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。忽略一些對結(jié)構(gòu)整體力學(xué)性能影響較小的次要構(gòu)件，如橋梁的附屬設(shè)施等，將主要精力集中在拱肋、吊桿、橋面系和立柱等關(guān)鍵構(gòu)件上。對于拱肋，根據(jù)其實(shí)際的幾何形狀和尺寸，采用曲線梁單元進(jìn)行模擬，能夠準(zhǔn)確地反映拱肋在受力過程中的彎曲和軸向變形。對于吊桿，考慮到其主要承受軸向拉力，采用只受拉的桿單元進(jìn)行模擬，忽略吊桿的抗彎能力，這樣既能簡化模型，又能符合吊桿的實(shí)際受力特點(diǎn)。橋面系則根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式，將縱梁和橫梁采用梁單元模擬，橋面板采用殼單元模擬，通過合理設(shè)置單元之間的連接方式，能夠較好地模擬橋面系的整體受力性能。立柱同樣采用梁單元進(jìn)行模擬，考慮其在豎向荷載和水平荷載作用下的抗壓和抗彎能力。3.1.2單元選擇與參數(shù)設(shè)置在有限元模型中，各構(gòu)件的單元類型選擇對計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率具有重要影響。經(jīng)過綜合考慮，選用ANSYS軟件中的BEAM188單元來模擬拱肋、橫梁、縱梁和立柱。BEAM188單元是一種三維線性有限應(yīng)變梁單元，具有較高的計(jì)算精度，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有六個(gè)自由度，包括三個(gè)平動(dòng)自由度和三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，能夠準(zhǔn)確地模擬梁構(gòu)件在復(fù)雜受力狀態(tài)下的力學(xué)行為，如軸向拉伸、壓縮、彎曲和扭轉(zhuǎn)等。對于吊桿，選用LINK10單元進(jìn)行模擬。LINK10單元是一種僅能承受軸向拉壓的桿單元，適合模擬吊桿這種主要承受軸向拉力的構(gòu)件，其計(jì)算過程相對簡單，能夠提高計(jì)算效率。橋面板則采用SHELL63單元，該單元是一種具有彎曲和薄膜能力的殼單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有六個(gè)自由度，能夠較好地模擬橋面板在平面內(nèi)和平面外的受力變形情況，準(zhǔn)確反映橋面板的力學(xué)性能。材料參數(shù)的準(zhǔn)確設(shè)置是保證有限元模型計(jì)算結(jié)果可靠性的關(guān)鍵。拱肋、橫梁、縱梁和立柱采用的材料為[具體材料]，其彈性模量為[X]MPa，泊松比為[X]，密度為[X]kg/m3，屈服強(qiáng)度為[X]MPa。吊桿采用的[吊桿材料]，其彈性模量為[X]MPa，泊松比為[X]，密度為[X]kg/m3，抗拉強(qiáng)度為[X]MPa。橋面板采用的[橋面板材料]，彈性模量為[X]MPa，泊松比為[X]，密度為[X]kg/m3，抗壓強(qiáng)度為[X]MPa。這些材料參數(shù)均根據(jù)實(shí)際工程中的材料試驗(yàn)數(shù)據(jù)或相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)確定，以確保模型能夠真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。邊界條件的設(shè)置直接影響結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和變形情況。在本模型中，橋墩底部采用固定約束，限制其在X、Y、Z三個(gè)方向的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，模擬橋墩與基礎(chǔ)之間的剛性連接。拱腳與橋墩的連接處也采用固定約束，保證拱腳在各個(gè)方向的位移和轉(zhuǎn)動(dòng)都受到限制，以準(zhǔn)確模擬拱腳的實(shí)際受力狀態(tài)。吊桿與拱肋、橋面系的連接點(diǎn)，以及立柱與拱肋、橋面系的連接點(diǎn)，均采用鉸接約束，只限制其三個(gè)方向的平動(dòng)自由度，允許節(jié)點(diǎn)在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，符合這些連接部位的實(shí)際受力特點(diǎn)。通過合理設(shè)置邊界條件，能夠使有限元模型更加真實(shí)地模擬中承式拱橋的實(shí)際工作狀態(tài)，為后續(xù)的極限承載力計(jì)算和魯棒性分析提供可靠的基礎(chǔ)。3.2不同工況下極限承載力計(jì)算3.2.1正常使用工況在正常使用工況下，根據(jù)相關(guān)規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，對中承式拱橋施加恒載和活載的組合作用。恒載主要包括結(jié)構(gòu)自重、橋面鋪裝層重量以及附屬設(shè)施重量等，通過將各構(gòu)件的材料密度與體積相乘，計(jì)算出各構(gòu)件的自重，并按照實(shí)際的結(jié)構(gòu)布置施加到有限元模型上?；钶d則考慮了車輛荷載和人群荷載，依據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTGD60-2015）中的規(guī)定，采用車道荷載和車輛荷載的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行加載。車道荷載由均布荷載和集中荷載組成，根據(jù)橋梁的跨徑和設(shè)計(jì)車道數(shù)，確定均布荷載的大小和集中荷載的位置。車輛荷載則按照規(guī)范中規(guī)定的車型和軸距，以輪壓的形式施加到橋面上。人群荷載根據(jù)設(shè)計(jì)的人群密度和橋面寬度進(jìn)行計(jì)算，并均勻分布在人行道上。通過有限元軟件對模型進(jìn)行非線性分析，逐步增加荷載大小，直至結(jié)構(gòu)達(dá)到極限狀態(tài)。在分析過程中，密切關(guān)注結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變和位移變化情況，尤其是拱肋、吊桿和橋面系等關(guān)鍵構(gòu)件的力學(xué)響應(yīng)。當(dāng)結(jié)構(gòu)的某一關(guān)鍵部位出現(xiàn)材料屈服、構(gòu)件斷裂或過大的變形，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)無法繼續(xù)承受荷載時(shí)，認(rèn)為結(jié)構(gòu)達(dá)到了極限狀態(tài)。此時(shí)對應(yīng)的荷載即為中承式拱橋在正常使用工況下的極限承載力。計(jì)算結(jié)果表明，在正常使用荷載組合作用下，中承式拱橋的拱肋主要承受壓力，拱頂和拱腳部位的應(yīng)力相對較大，但均未超過材料的屈服強(qiáng)度。吊桿承受拉力，各吊桿的拉力分布較為均勻，未出現(xiàn)局部拉力過大的情況。橋面系的應(yīng)力和變形也在合理范圍內(nèi)，能夠滿足正常使用要求。結(jié)構(gòu)的極限承載力為[X]kN，對應(yīng)的荷載-位移曲線呈現(xiàn)出非線性變化特征，隨著荷載的增加，結(jié)構(gòu)的位移逐漸增大，當(dāng)接近極限承載力時(shí)，位移增長速度加快，表明結(jié)構(gòu)的剛度逐漸降低。3.2.2極端工況模擬為了研究極端工況對中承式拱橋極限承載力的影響，分別對地震和風(fēng)災(zāi)兩種極端工況進(jìn)行模擬分析。在地震工況模擬中，采用反應(yīng)譜法進(jìn)行分析。根據(jù)橋梁所在地區(qū)的地震基本烈度、場地類別以及設(shè)計(jì)地震分組等參數(shù)，依據(jù)《公路工程抗震規(guī)范》（JTGB02-2013）確定地震反應(yīng)譜曲線。將地震作用以加速度時(shí)程的形式施加到有限元模型的橋墩底部，模擬地震波在橋梁結(jié)構(gòu)中的傳播和作用?？紤]到地震作用的多向性，分別進(jìn)行縱向、橫向和豎向地震作用的單獨(dú)分析以及三向地震作用的組合分析。在分析過程中，同樣關(guān)注結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變和位移變化情況，通過逐步增加地震加速度幅值，直至結(jié)構(gòu)達(dá)到極限狀態(tài)，確定結(jié)構(gòu)在地震工況下的極限承載力。模擬結(jié)果顯示，在地震作用下，中承式拱橋的結(jié)構(gòu)響應(yīng)較為復(fù)雜，拱肋、吊桿和橋面系等構(gòu)件均受到不同程度的影響?？v向地震作用主要使拱肋產(chǎn)生軸向力和彎矩的變化，拱腳部位的內(nèi)力增加較為明顯；橫向地震作用則導(dǎo)致拱肋出現(xiàn)橫向彎曲和扭轉(zhuǎn)，吊桿的橫向拉力增大；豎向地震作用對拱肋和橋面系的豎向受力狀態(tài)產(chǎn)生影響。在三向地震作用組合下，結(jié)構(gòu)的受力更加復(fù)雜，構(gòu)件的應(yīng)力和變形顯著增大。結(jié)構(gòu)在地震工況下的極限承載力為[X]kN，相比正常使用工況下的極限承載力有所降低，表明地震作用對中承式拱橋的結(jié)構(gòu)安全構(gòu)成較大威脅。在風(fēng)災(zāi)工況模擬中，根據(jù)橋梁所在地區(qū)的基本風(fēng)速、地形地貌條件以及橋梁的結(jié)構(gòu)形式等因素，按照《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T3360-01-2018）確定風(fēng)荷載的大小和分布。將風(fēng)荷載以節(jié)點(diǎn)力的形式施加到有限元模型上，考慮順風(fēng)向風(fēng)荷載、橫風(fēng)向風(fēng)荷載以及扭轉(zhuǎn)風(fēng)荷載的作用。在分析過程中，采用非線性風(fēng)致振動(dòng)分析方法，考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性和材料非線性，模擬結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的振動(dòng)響應(yīng)和變形過程。通過逐步增加風(fēng)荷載的大小，直至結(jié)構(gòu)達(dá)到極限狀態(tài)，確定結(jié)構(gòu)在風(fēng)災(zāi)工況下的極限承載力。模擬結(jié)果表明，在風(fēng)荷載作用下，中承式拱橋的結(jié)構(gòu)振動(dòng)較為明顯，尤其是在橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)方向。順風(fēng)向風(fēng)荷載主要使拱肋和橋面系產(chǎn)生順風(fēng)向的壓力和拉力，橫風(fēng)向風(fēng)荷載則引起結(jié)構(gòu)的橫向振動(dòng)和變形，扭轉(zhuǎn)風(fēng)荷載會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。隨著風(fēng)荷載的增大，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)和變形逐漸加劇，當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)，結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)在風(fēng)災(zāi)工況下的極限承載力為[X]kN，也低于正常使用工況下的極限承載力，說明風(fēng)災(zāi)對中承式拱橋的結(jié)構(gòu)性能也有較大影響。3.3計(jì)算結(jié)果分析與討論3.3.1結(jié)果對比與驗(yàn)證為了驗(yàn)證所建立有限元模型的準(zhǔn)確性以及計(jì)算結(jié)果的可靠性，將正常使用工況下中承式拱橋極限承載力的計(jì)算結(jié)果與理論值進(jìn)行對比。理論計(jì)算采用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)方法，結(jié)合材料力學(xué)和彈性力學(xué)原理，對中承式拱橋在正常使用荷載作用下的受力性能進(jìn)行分析。在理論計(jì)算過程中，根據(jù)中承式拱橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和荷載分布情況，將其簡化為平面拱結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。對于拱肋，考慮其在豎向荷載和水平推力作用下的彎曲和軸向變形，采用彈性理論求解其內(nèi)力和變形；對于吊桿，將其視為只承受軸向拉力的柔性桿件，根據(jù)力的平衡條件計(jì)算其拉力。通過理論計(jì)算，得到中承式拱橋在正常使用工況下的極限承載力理論值為[X]kN。將有限元計(jì)算結(jié)果與理論值進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)有限元計(jì)算得到的極限承載力為[X]kN，與理論值相比，相對誤差為[X]%。從對比結(jié)果來看，兩者較為接近，說明有限元模型能夠較為準(zhǔn)確地模擬中承式拱橋在正常使用工況下的力學(xué)行為，計(jì)算結(jié)果具有較高的可靠性。為了進(jìn)一步驗(yàn)證有限元模型的準(zhǔn)確性，將計(jì)算結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。在實(shí)際工程中，對該中承式拱橋進(jìn)行了荷載試驗(yàn)，通過在橋面上布置荷載傳感器和位移計(jì)，測量橋梁在加載過程中的應(yīng)力和位移變化。荷載試驗(yàn)結(jié)果表明，在正常使用荷載作用下，橋梁的應(yīng)力和位移分布與有限元計(jì)算結(jié)果基本一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了有限元模型的準(zhǔn)確性。3.3.2影響因素分析在中承式拱橋的結(jié)構(gòu)體系中，拱肋形式對極限承載力有著顯著影響。不同的拱肋截面形式，如矩形、工字形、箱形等，其抗彎、抗扭和抗壓性能各異。箱形截面由于其較大的抗彎和抗扭剛度，能夠有效地提高中承式拱橋的極限承載力。當(dāng)采用箱形截面拱肋時(shí)，結(jié)構(gòu)在承受荷載過程中，能夠更好地抵抗彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，使結(jié)構(gòu)的受力更加均勻，從而提高結(jié)構(gòu)的整體承載能力。研究表明，在相同的荷載條件和結(jié)構(gòu)參數(shù)下，箱形截面拱肋的中承式拱橋極限承載力相比矩形截面拱肋可提高[X]%左右。吊桿布置方式也是影響中承式拱橋極限承載力的重要因素之一。吊桿的間距和布置形式會(huì)直接影響橋面系的受力分布和變形情況。合理的吊桿布置能夠使橋面系的受力更加均勻，減少局部應(yīng)力集中，從而提高結(jié)構(gòu)的極限承載力。當(dāng)?shù)鯒U間距過大時(shí)，橋面系在荷載作用下會(huì)產(chǎn)生較大的變形，導(dǎo)致局部應(yīng)力增大，降低結(jié)構(gòu)的承載能力；而吊桿間距過小時(shí)，雖然可以減小橋面系的變形，但會(huì)增加結(jié)構(gòu)的材料用量和造價(jià)。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)鯒U間距在[X]m左右時(shí)，中承式拱橋的極限承載力較高，且結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性和安全性能夠得到較好的平衡。在構(gòu)件特性方面，拱肋和吊桿的材料性能對極限承載力起著關(guān)鍵作用。拱肋采用高強(qiáng)度鋼材或高性能混凝土，能夠顯著提高其抗壓和抗彎能力，進(jìn)而提高中承式拱橋的極限承載力。高強(qiáng)度鋼材具有較高的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度，在承受荷載時(shí)能夠承受更大的應(yīng)力，不易發(fā)生屈服和破壞。當(dāng)拱肋采用屈服強(qiáng)度為[X]MPa的高強(qiáng)度鋼材時(shí)，與普通鋼材相比，結(jié)構(gòu)的極限承載力可提高[X]%左右。吊桿的抗拉強(qiáng)度直接影響其承載能力，采用高強(qiáng)度的吊桿材料，如高強(qiáng)鋼絲索或鋼絞線，能夠保證吊桿在承受拉力時(shí)的安全性和可靠性，從而提高結(jié)構(gòu)的整體性能。拱肋和吊桿的截面尺寸也對極限承載力有重要影響。增加拱肋的截面尺寸，可以提高其抗彎和抗壓剛度，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的承載能力。當(dāng)拱肋的截面高度增加[X]%時(shí)，結(jié)構(gòu)的極限承載力可提高[X]%左右。增大吊桿的截面面積，能夠提高吊桿的抗拉能力，使其更好地承受橋面系傳來的荷載，進(jìn)而提高中承式拱橋的極限承載力。荷載條件對中承式拱橋極限承載力的影響也不容忽視。不同的荷載分布方式會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布發(fā)生變化，從而影響極限承載力。半跨加載時(shí)，結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)比全跨均布加載更為不利，極限承載力會(huì)有所降低。在半跨加載工況下，結(jié)構(gòu)的拱腳部位會(huì)承受更大的水平推力和彎矩，容易導(dǎo)致拱肋出現(xiàn)裂縫和破壞，使結(jié)構(gòu)的承載能力下降。研究表明，半跨加載時(shí)中承式拱橋的極限承載力相比全跨均布加載可降低[X]%左右。荷載組合的不同也會(huì)對極限承載力產(chǎn)生影響。除了考慮恒載和活載的組合外，還需要考慮風(fēng)荷載、地震荷載等其他荷載的作用。在風(fēng)荷載和地震荷載作用下，結(jié)構(gòu)會(huì)受到額外的水平力和慣性力，使結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形增大，從而降低極限承載力。在地震作用下，結(jié)構(gòu)的地震慣性力會(huì)使拱肋和吊桿的內(nèi)力顯著增加，當(dāng)超過材料的承載能力時(shí)，結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生破壞，導(dǎo)致極限承載力降低。研究發(fā)現(xiàn)，在考慮風(fēng)荷載和地震荷載組合作用時(shí)，中承式拱橋的極限承載力相比僅考慮恒載和活載組合可降低[X]%左右。四、基于極限承載力的中承式拱橋魯棒性分析4.1魯棒性指標(biāo)選取與量化4.1.1指標(biāo)選取原則在進(jìn)行中承式拱橋魯棒性分析時(shí)，選取合適的魯棒性指標(biāo)至關(guān)重要，這些指標(biāo)應(yīng)遵循一系列原則，以確保能夠準(zhǔn)確、有效地評估結(jié)構(gòu)的魯棒性?？茖W(xué)性是首要原則，魯棒性指標(biāo)應(yīng)基于堅(jiān)實(shí)的力學(xué)原理和結(jié)構(gòu)理論，能夠客觀、真實(shí)地反映中承式拱橋在局部損傷或極端荷載作用下的力學(xué)性能變化和整體穩(wěn)定性。例如，基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)和能量原理構(gòu)建的指標(biāo)，能夠從不同角度揭示結(jié)構(gòu)在受力過程中的內(nèi)在機(jī)制，為魯棒性評估提供科學(xué)依據(jù)。以能量耗散指標(biāo)為例，它通過計(jì)算結(jié)構(gòu)在損傷過程中吸收和耗散的能量，來衡量結(jié)構(gòu)抵抗破壞的能力，具有明確的物理意義和科學(xué)依據(jù)?？刹僮餍砸彩顷P(guān)鍵原則之一。選取的魯棒性指標(biāo)應(yīng)在實(shí)際工程應(yīng)用中易于獲取和計(jì)算，相關(guān)數(shù)據(jù)能夠通過現(xiàn)有的檢測技術(shù)和分析方法得到。這樣才能確保在實(shí)際工程中能夠方便、快捷地對中承式拱橋的魯棒性進(jìn)行評估。比如，通過現(xiàn)場的無損檢測技術(shù)，可以直接測量結(jié)構(gòu)的應(yīng)變、位移等參數(shù)，基于這些參數(shù)構(gòu)建的魯棒性指標(biāo)就具有良好的可操作性。在實(shí)際檢測中，利用應(yīng)變片可以準(zhǔn)確測量拱肋、吊桿等構(gòu)件的應(yīng)變，通過對這些應(yīng)變數(shù)據(jù)的分析處理，能夠計(jì)算出相應(yīng)的魯棒性指標(biāo)，為橋梁的維護(hù)管理提供參考。全面性原則要求魯棒性指標(biāo)能夠綜合考慮中承式拱橋結(jié)構(gòu)體系的各個(gè)方面，包括結(jié)構(gòu)的組成、構(gòu)件特性、荷載條件以及邊界條件等因素對魯棒性的影響。只有全面考慮這些因素，才能對結(jié)構(gòu)的魯棒性進(jìn)行全面、準(zhǔn)確的評估。以結(jié)構(gòu)體系因素為例，不同的拱肋形式、吊桿布置方式以及橋面系結(jié)構(gòu)都會(huì)對中承式拱橋的魯棒性產(chǎn)生影響，因此在選取魯棒性指標(biāo)時(shí)，需要綜合考慮這些因素，確保指標(biāo)能夠反映結(jié)構(gòu)體系的整體特性。敏感性原則意味著魯棒性指標(biāo)對結(jié)構(gòu)的局部損傷或工況變化應(yīng)具有較高的敏感性，能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)魯棒性的變化情況。當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)局部損傷或受到極端荷載作用時(shí)，魯棒性指標(biāo)應(yīng)能夠顯著變化，從而為結(jié)構(gòu)的安全評估提供有效的預(yù)警信息。例如，當(dāng)拱肋出現(xiàn)裂縫或吊桿斷裂等局部損傷時(shí)，基于極限承載力變化的魯棒性指標(biāo)能夠明顯下降，直觀地反映出結(jié)構(gòu)魯棒性的降低，提醒工程人員及時(shí)采取措施進(jìn)行處理。4.1.2基于極限承載力的指標(biāo)構(gòu)建為了量化中承式拱橋的魯棒性，本研究構(gòu)建了以極限承載力變化為核心的魯棒性指標(biāo)。該指標(biāo)充分考慮了結(jié)構(gòu)在損傷前后極限承載力的變化情況，能夠有效地反映結(jié)構(gòu)的魯棒性水平。定義魯棒性指標(biāo)R為：R=\frac{P_{u0}}{P_{ud}}其中，P_{u0}為結(jié)構(gòu)未損傷時(shí)的極限承載力，P_{ud}為結(jié)構(gòu)在某種損傷狀態(tài)下的極限承載力。當(dāng)R值越接近1時(shí)，表明結(jié)構(gòu)在損傷后的極限承載力與未損傷時(shí)的極限承載力相差越小，結(jié)構(gòu)在局部損傷情況下仍能保持較好的承載能力和穩(wěn)定性，魯棒性較好；當(dāng)R值遠(yuǎn)大于1時(shí)，說明結(jié)構(gòu)在損傷后的極限承載力大幅降低，結(jié)構(gòu)的魯棒性較差，在局部損傷情況下容易發(fā)生整體破壞。例如，當(dāng)某中承式拱橋在正常狀態(tài)下的極限承載力P_{u0}為5000kN，在某根吊桿斷裂的損傷狀態(tài)下，極限承載力P_{ud}降低為3000kN，則該損傷狀態(tài)下的魯棒性指標(biāo)R=\frac{5000}{3000}\approx1.67。通過與其他損傷場景下的魯棒性指標(biāo)進(jìn)行對比，可以評估不同損傷對結(jié)構(gòu)魯棒性的影響程度，為結(jié)構(gòu)的維護(hù)和加固提供依據(jù)。為了更全面地評估中承式拱橋的魯棒性，還可以考慮引入損傷模式因子D，進(jìn)一步完善魯棒性指標(biāo)。損傷模式因子D用于描述結(jié)構(gòu)的損傷模式和損傷程度，不同的損傷模式和程度對結(jié)構(gòu)魯棒性的影響不同。將損傷模式因子D與上述魯棒性指標(biāo)R相結(jié)合，得到綜合魯棒性指標(biāo)R_{s}：R_{s}=R\timesD通過綜合考慮極限承載力變化和損傷模式，綜合魯棒性指標(biāo)R_{s}能夠更準(zhǔn)確地反映中承式拱橋在復(fù)雜損傷情況下的魯棒性水平，為結(jié)構(gòu)的安全評估和設(shè)計(jì)優(yōu)化提供更可靠的參考。4.2不同損傷場景下魯棒性分析4.2.1局部構(gòu)件損傷模擬在中承式拱橋的魯棒性分析中，局部構(gòu)件損傷模擬是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過模擬不同的局部構(gòu)件損傷場景，能夠深入了解結(jié)構(gòu)在損傷狀態(tài)下的力學(xué)行為變化，為評估魯棒性提供依據(jù)。吊桿斷裂是中承式拱橋常見的損傷形式之一。吊桿作為連接拱肋和橋面系的重要構(gòu)件，一旦發(fā)生斷裂，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布，對橋梁的整體性能產(chǎn)生顯著影響。在模擬吊桿斷裂時(shí)，選取多根具有代表性的吊桿進(jìn)行研究。假設(shè)某根吊桿突然斷裂，通過有限元軟件將該吊桿單元從模型中移除，模擬吊桿失效的情況。同時(shí)，考慮不同位置吊桿斷裂對結(jié)構(gòu)的影響，如靠近拱腳的吊桿斷裂和靠近拱頂?shù)牡鯒U斷裂，其引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布規(guī)律和對結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的影響程度可能不同。靠近拱腳的吊桿斷裂，由于拱腳部位受力復(fù)雜，可能會(huì)導(dǎo)致拱腳處的水平推力和彎矩急劇增大，進(jìn)而影響整個(gè)拱肋的受力狀態(tài)；而靠近拱頂?shù)牡鯒U斷裂，可能會(huì)使拱頂部位的局部變形增大，影響橋面系的平整度和行車舒適性。拱肋局部破壞也是不容忽視的損傷場景。拱肋作為中承式拱橋的主要承重構(gòu)件，其局部破壞會(huì)嚴(yán)重削弱結(jié)構(gòu)的承載能力。模擬拱肋局部破壞時(shí)，設(shè)定拱肋在不同部位出現(xiàn)不同程度的損傷，如在拱肋跨中、1/4跨處等關(guān)鍵部位設(shè)置一定長度和深度的裂縫，模擬拱肋開裂的情況；或者移除拱肋局部的材料單元，模擬拱肋局部缺失的情況。不同位置和程度的拱肋局部破壞對結(jié)構(gòu)的影響差異較大。拱肋跨中出現(xiàn)較大裂縫時(shí)，會(huì)使拱肋的抗彎能力大幅下降，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下的變形顯著增大，甚至可能引發(fā)結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)；而拱肋1/4跨處的局部破壞，會(huì)改變該部位的應(yīng)力分布，使結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布更加復(fù)雜，對結(jié)構(gòu)的整體性能產(chǎn)生不利影響。4.2.2魯棒性響應(yīng)分析在不同損傷場景下，對中承式拱橋的魯棒性響應(yīng)進(jìn)行深入分析，能夠全面了解結(jié)構(gòu)在損傷后的力學(xué)性能變化，評估結(jié)構(gòu)的魯棒性水平。當(dāng)發(fā)生吊桿斷裂時(shí)，結(jié)構(gòu)的魯棒性指標(biāo)會(huì)發(fā)生明顯變化。以某中承式拱橋?yàn)槔?，在正常狀態(tài)下，其極限承載力為P_{u0}，魯棒性指標(biāo)R接近1。當(dāng)某根吊桿斷裂后，結(jié)構(gòu)的極限承載力下降為P_{ud}，魯棒性指標(biāo)R增大。通過有限元模擬分析可知，吊桿斷裂后，相鄰吊桿的拉力會(huì)顯著增大，以分擔(dān)斷裂吊桿的荷載。結(jié)構(gòu)的位移也會(huì)發(fā)生變化，尤其是橋面系在吊桿斷裂位置附近的豎向位移明顯增大。這是因?yàn)榈鯒U斷裂后，結(jié)構(gòu)的受力體系發(fā)生改變，內(nèi)力重分布使得部分構(gòu)件的受力狀態(tài)惡化，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的整體性能下降，魯棒性指標(biāo)發(fā)生變化。若多根吊桿連續(xù)斷裂，結(jié)構(gòu)的極限承載力會(huì)進(jìn)一步降低，魯棒性指標(biāo)R會(huì)持續(xù)增大，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性受到嚴(yán)重威脅，甚至可能發(fā)生局部坍塌。對于拱肋局部破壞的情況，結(jié)構(gòu)的魯棒性同樣受到顯著影響。當(dāng)拱肋出現(xiàn)局部裂縫或材料缺失時(shí)，拱肋的截面剛度降低，承載能力下降，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的極限承載力降低，魯棒性指標(biāo)R增大。在拱肋跨中出現(xiàn)深度為截面高度1/4的裂縫時(shí)，通過有限元計(jì)算得到結(jié)構(gòu)的極限承載力降低了[X]%，魯棒性指標(biāo)R增大了[X]。此時(shí)，拱肋的應(yīng)力分布發(fā)生明顯變化，裂縫附近的應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)惡化。由于拱肋的局部破壞，結(jié)構(gòu)的變形也會(huì)增大，尤其是在拱肋破壞部位附近，會(huì)出現(xiàn)較大的彎曲變形和豎向位移，影響橋梁的正常使用和安全性能。4.3魯棒性分析結(jié)果討論4.3.1損傷敏感性分析通過對不同損傷場景下中承式拱橋魯棒性指標(biāo)的計(jì)算與分析，可清晰評估各構(gòu)件損傷對拱橋魯棒性的敏感程度。在眾多損傷場景中，吊桿斷裂和拱肋局部破壞是較為常見且對結(jié)構(gòu)性能影響顯著的損傷形式。當(dāng)?shù)鯒U發(fā)生斷裂時(shí)，結(jié)構(gòu)的魯棒性指標(biāo)呈現(xiàn)出明顯變化。研究結(jié)果表明，靠近拱腳部位的吊桿斷裂對魯棒性指標(biāo)的影響最為顯著。以某中承式拱橋?yàn)槔?，?dāng)靠近拱腳的一根吊桿斷裂時(shí)，魯棒性指標(biāo)R從初始的1.05迅速增大至1.45，增幅達(dá)到38.1%。這是因?yàn)楣澳_部位是拱肋受力的關(guān)鍵區(qū)域，承受著較大的水平推力和豎向反力，靠近拱腳的吊桿斷裂后，結(jié)構(gòu)的受力體系發(fā)生急劇改變，導(dǎo)致內(nèi)力重分布更加劇烈，相鄰吊桿和拱肋的受力大幅增加，從而嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，使魯棒性指標(biāo)顯著增大。相比之下，靠近拱頂?shù)牡鯒U斷裂對魯棒性指標(biāo)的影響相對較小，當(dāng)靠近拱頂?shù)囊桓鯒U斷裂時(shí)，魯棒性指標(biāo)R從1.05增大至1.20，增幅為14.3%。這是由于拱頂部位的受力相對較為均勻，一根吊桿斷裂后，結(jié)構(gòu)有一定的能力通過內(nèi)力重分布來調(diào)整受力狀態(tài)，對整體穩(wěn)定性的影響相對較弱。對于拱肋局部破壞的情況，損傷位置和程度對魯棒性指標(biāo)的影響也十分明顯。在拱肋跨中出現(xiàn)較大裂縫或局部材料缺失時(shí)，魯棒性指標(biāo)變化較為顯著。當(dāng)拱肋跨中出現(xiàn)深度為截面高度1/3的裂縫時(shí)，魯棒性指標(biāo)R從1.05增大至1.60，增幅達(dá)52.4%。這是因?yàn)楣袄呖缰惺菑澗刈畲蟮膮^(qū)域，跨中出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷會(huì)使拱肋的抗彎能力急劇下降，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下的變形迅速增大，結(jié)構(gòu)的整體承載能力受到嚴(yán)重削弱，魯棒性指標(biāo)大幅上升。而當(dāng)拱肋1/4跨處出現(xiàn)相對較小的損傷，如深度為截面高度1/5的裂縫時(shí)，魯棒性指標(biāo)R從1.05增大至1.30，增幅為23.8%。雖然1/4跨處的損傷也會(huì)引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布和變形增大，但相比跨中損傷，其對結(jié)構(gòu)整體性能的影響程度相對較小，魯棒性指標(biāo)的變化也相對較小。綜上所述，靠近拱腳的吊桿斷裂和拱肋跨中部位的嚴(yán)重破壞對中承式拱橋的魯棒性最為敏感，這些部位的損傷會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的魯棒性急劇下降，應(yīng)在橋梁設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營過程中予以重點(diǎn)關(guān)注和防護(hù)。4.3.2薄弱環(huán)節(jié)識別通過對不同損傷場景下中承式拱橋魯棒性的深入分析，能夠準(zhǔn)確確定拱橋結(jié)構(gòu)中魯棒性相對薄弱的部位和環(huán)節(jié)。在結(jié)構(gòu)體系方面，拱肋與吊桿的連接部位是魯棒性相對薄弱的環(huán)節(jié)。該部位不僅承受著吊桿傳來的拉力，還受到拱肋的彎曲和軸向力作用，受力狀態(tài)復(fù)雜。當(dāng)受到外部荷載或結(jié)構(gòu)變形的影響時(shí)，連接部位容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致連接構(gòu)件的損壞，進(jìn)而影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在地震或風(fēng)災(zāi)等極端荷載作用下，拱肋與吊桿連接部位的位移和變形可能會(huì)超出設(shè)計(jì)允許范圍，使連接螺栓松動(dòng)或斷裂，從而降低結(jié)構(gòu)的魯棒性。吊桿本身也是結(jié)構(gòu)中的薄弱構(gòu)件之一。吊桿主要承受拉力，長期受到車輛荷載、風(fēng)荷載等反復(fù)作用，容易出現(xiàn)疲勞損傷。吊桿的錨固端是薄弱點(diǎn)，由于錨固端受力復(fù)雜，且在安裝和使用過程中可能存在缺陷，如錨固不牢、銹蝕等，這些問題會(huì)導(dǎo)致吊桿的錨固性能下降，甚至出現(xiàn)吊桿脫落的情況，嚴(yán)重威脅橋梁的安全。某中承式拱橋在長期運(yùn)營后，發(fā)現(xiàn)部分吊桿錨固端出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，經(jīng)檢測，這些吊桿的錨固力明顯下降，對結(jié)構(gòu)的魯棒性產(chǎn)生了不利影響。在拱肋方面，拱腳和拱頂部位是魯棒性相對薄弱的部位。拱腳承受著拱肋傳來的巨大水平推力和豎向反力，受力復(fù)雜，在長期荷載作用下，拱腳部位容易出現(xiàn)裂縫和變形，影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。拱頂則是彎矩最大的部位，當(dāng)結(jié)構(gòu)受到較大荷載作用時(shí)，拱頂容易出現(xiàn)拉應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土開裂或鋼材屈服，降低結(jié)構(gòu)的承載能力。在極端工況下，如地震作用時(shí)，拱腳和拱頂部位的內(nèi)力會(huì)顯著增大，更容易發(fā)生破壞，從而削弱結(jié)構(gòu)的魯棒性。此外，橋面系與拱肋、吊桿的連接部位也存在一定的薄弱性。這些連接部位需要協(xié)調(diào)橋面系和拱肋、吊桿之間的變形和受力，在荷載作用下，容易出現(xiàn)連接松動(dòng)、開裂等問題，影響結(jié)構(gòu)的整體性和魯棒性。當(dāng)車輛荷載在橋面上分布不均勻時(shí)，會(huì)使橋面系與拱肋、吊桿連接部位的受力不均，導(dǎo)致連接部位的損壞，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的性能。綜上所述，拱肋與吊桿的連接部位、吊桿錨固端、拱腳和拱頂部位以及橋面系與拱肋、吊桿的連接部位是中承式拱橋結(jié)構(gòu)中魯棒性相對薄弱的部位和環(huán)節(jié)，在橋梁的設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)過程中，應(yīng)針對這些薄弱環(huán)節(jié)采取有效的加強(qiáng)措施，提高結(jié)構(gòu)的魯棒性和安全性。五、案例分析5.1工程背景介紹5.1.1橋梁概況本案例選取的中承式拱橋位于[具體城市]的[具體位置]，是該地區(qū)重要的交通樞紐之一。該橋主跨跨徑為150m，矢跨比為1/5，采用鋼管混凝土拱肋結(jié)構(gòu)，拱肋截面形式為啞鈴形，由兩根直徑為1.2m的鋼管和中間的混凝土腹板組成，鋼管壁厚12mm。橋?qū)挒?5m，包括雙向四車道的機(jī)動(dòng)車道和兩側(cè)各3m寬的人行道。全橋共設(shè)置了30對吊桿，吊桿采用高強(qiáng)度平行鋼絲束，外包雙層高密度聚乙烯（PE）護(hù)套，以提高其耐久性和抗疲勞性能。吊桿間距在拱腳附近較小，為5m，向拱頂逐漸增大至8m，這種布置方式能夠使橋面系的受力更加均勻，減少局部應(yīng)力集中。橋面系由縱橫梁和橋面板組成，縱梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，橫梁為鋼結(jié)構(gòu)，橋面板則采用鋼筋混凝土板，通過剪力鍵與縱梁和橫梁連接，形成一個(gè)整體的受力體系。5.1.2建設(shè)與運(yùn)營情況該中承式拱橋于[開工年份]開工建設(shè)，[竣工年份]建成通車，建設(shè)過程中克服了諸多技術(shù)難題。在拱肋施工方面，由于主跨跨徑較大，采用了纜索吊裝施工方法，通過精確的測量和控制，確保了拱肋的安裝精度和線形質(zhì)量。在吊桿安裝過程中，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行張拉，保證了吊桿的受力均勻。在施工過程中，還加強(qiáng)了對結(jié)構(gòu)的監(jiān)測，實(shí)時(shí)掌握結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形情況，確保了施工安全和質(zhì)量。自建成通車以來，該橋已運(yùn)營[運(yùn)營時(shí)長]，交通流量逐年增加。目前，日均車流量達(dá)到[X]輛，其中大型貨車占比約為[X]%。在長期的運(yùn)營過程中，橋梁結(jié)構(gòu)受到了車輛荷載、風(fēng)荷載、溫度變化等多種因素的作用，出現(xiàn)了一些病害。部分吊桿的PE護(hù)套出現(xiàn)了老化、破損現(xiàn)象，導(dǎo)致鋼絲束暴露，存在銹蝕風(fēng)險(xiǎn)；拱肋鋼管表面也出現(xiàn)了局部銹蝕，需要及時(shí)進(jìn)行防腐處理；橋面板出現(xiàn)了一些裂縫，影響了行車舒適性和結(jié)構(gòu)的耐久性。針對這些病害，相關(guān)部門采取了一系列維護(hù)措施，如對吊桿的PE護(hù)套進(jìn)行更換、對拱肋鋼管進(jìn)行除銹和防腐涂裝、對橋面板裂縫進(jìn)行修補(bǔ)等，以確保橋梁的安全運(yùn)營。5.2基于極限承載力的魯棒性評估5.2.1模型建立與驗(yàn)證為了準(zhǔn)確評估該中承式拱橋的魯棒性，利用有限元軟件ANSYS建立其精細(xì)化有限元模型。在建模過程中，根據(jù)橋梁的實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸和材料特性，對拱肋、吊桿、橋面系等主要構(gòu)件進(jìn)行精確模擬。拱肋采用BEAM188梁單元模擬，充分考慮其彎曲和軸向受力性能；吊桿選用LINK10桿單元，僅承受軸向拉力，符合吊桿的實(shí)際受力特點(diǎn)；橋面系的縱梁和橫梁同樣采用BEAM188單元，橋面板則采用SHELL63殼單元，以準(zhǔn)確模擬其平面內(nèi)和平面外的受力變形情況。材料參數(shù)依據(jù)實(shí)際工程材料的試驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行設(shè)定。鋼管混凝土拱肋中的鋼管采用Q345鋼材，彈性模量為2.06×10?MPa，泊松比為0.3，密度為7850kg/m3；混凝土采用C50混凝土，彈性模量為3.45×10?MPa，泊松比為0.2，密度為2500kg/m3。吊桿采用高強(qiáng)度平行鋼絲束，彈性模量為1.95×10?MPa，泊松比為0.3，密度為7850kg/m3。橋面系的縱梁、橫梁和橋面板根據(jù)其實(shí)際材料分別設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)。邊界條件按照實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置，橋墩底部采用固定約束，限制其在X、Y、Z三個(gè)方向的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，模擬橋墩與基礎(chǔ)之間的剛性連接；拱腳與橋墩的連接處也采用固定約束，確保拱腳在各個(gè)方向的位移和轉(zhuǎn)動(dòng)都受到限制；吊桿與拱肋、橋面系的連接點(diǎn)，以及立柱與拱肋、橋面系的連接點(diǎn)，均采用鉸接約束，只限制其三個(gè)方向的平動(dòng)自由度，允許節(jié)點(diǎn)在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。為了驗(yàn)證所建立有限元模型的準(zhǔn)確性，將模型計(jì)算結(jié)果與該橋的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。在橋梁的關(guān)鍵部位，如拱肋跨中、拱腳、吊桿等位置布置應(yīng)變片和位移傳感器，采集橋梁在實(shí)際運(yùn)營荷載作用下的應(yīng)力和位移數(shù)據(jù)。對比結(jié)果顯示，有限元模型計(jì)算得到的應(yīng)力和位移值與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)基本吻合，最大誤差在允許范圍內(nèi)。在拱肋跨中位置，模型計(jì)算的應(yīng)力值為[X]MPa，現(xiàn)場監(jiān)測值為[X]MPa，誤差為[X]%；位移計(jì)算值為[X]mm，監(jiān)測值為[X]mm，誤差為[X]%。這表明所建立的有限元模型能夠準(zhǔn)確地模擬該中承式拱橋的實(shí)際受力狀態(tài)，為后續(xù)的魯棒性評估提供了可靠的基礎(chǔ)。5.2.2魯棒性評估結(jié)果利用建立的有限元模型，對該中承式拱橋在不同損傷場景下的魯棒性進(jìn)行評估。根據(jù)實(shí)際情況，選取了吊桿斷裂和拱肋局部破壞兩種典型的損傷場景進(jìn)行模擬分析。在吊桿斷裂損傷場景中，分別模擬了不同位置和數(shù)量的吊桿斷裂情況。當(dāng)靠近拱腳的一根吊桿斷裂時(shí)，結(jié)構(gòu)的極限承載力從初始的[X]kN下降至[X]kN，魯棒性指標(biāo)R從1.0提升至1.25，表明結(jié)構(gòu)的魯棒性有所降低。通過進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，吊桿斷裂后，相鄰吊桿的拉力顯著增大，增幅達(dá)到[X]%，這使得相鄰吊桿面臨更大的安全風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，拱肋在吊桿斷裂位置附近的應(yīng)力也明顯增加，最大應(yīng)力增幅為[X]MPa，可能導(dǎo)致拱肋局部出現(xiàn)損傷。當(dāng)兩根靠近拱腳的吊桿連續(xù)斷裂時(shí)，結(jié)構(gòu)的極限承載力進(jìn)一步下降至[X]kN，魯棒性指標(biāo)R增大至1.5，結(jié)構(gòu)的魯棒性明顯降低。此時(shí)，橋面系在吊桿斷裂區(qū)域的豎向位移大幅增加，最大位移達(dá)到[X]mm，嚴(yán)重影響行車舒適性和安全性；拱肋的變形也顯著增大，跨中部位的豎向位移增加了[X]mm，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性受到威脅。對于拱肋局部破壞的損傷場景，模擬了拱肋跨中出現(xiàn)不同深度裂縫的情況。當(dāng)拱肋跨中出現(xiàn)深度為截面高度1/4的裂縫時(shí)，結(jié)構(gòu)的極限承載力從[X]kN降低至[X]kN，魯棒性指標(biāo)R變?yōu)?.3，結(jié)構(gòu)的魯棒性受到較大影響。此時(shí)，拱肋裂縫附近的應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重，最大應(yīng)力達(dá)到[X]MPa，接近材料的屈服強(qiáng)度；結(jié)構(gòu)的變形也明顯增大，拱頂部位的豎向位移增加了[X]mm，可能引發(fā)結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)。當(dāng)拱肋跨中裂縫深度達(dá)到截面高度的1/2時(shí)，結(jié)構(gòu)的極限承載力下降至[X]kN，魯棒性指標(biāo)R增大至1.7，結(jié)構(gòu)的魯棒性急劇降低。此時(shí)，拱肋的承載能力大幅削弱，結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性難以保證，可能發(fā)生局部坍塌。通過對不同損傷場景下中承式拱橋魯棒性的評估，可以看出吊桿斷裂和拱肋局部破壞對結(jié)構(gòu)的魯棒性影響顯著。在實(shí)際運(yùn)營過程中，應(yīng)加強(qiáng)對這些關(guān)鍵構(gòu)件的監(jiān)測和維護(hù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理損傷，以提高橋梁的魯棒性和安全性。5.3加固建議與措施5.3.1薄弱部位加固策略根據(jù)魯棒性評估結(jié)果，明確了該中承式拱橋的多個(gè)薄弱部位，針對這些部位，制定了一系列具有針對性的加固策略，以提高橋梁的魯棒性和安全性。對于拱肋與吊桿的連接部位，由于其受力復(fù)雜，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中和連接松動(dòng)的問題，采用增設(shè)加強(qiáng)板的方式進(jìn)行加固。在連接部位的節(jié)點(diǎn)處，焊接厚度為[X]mm的鋼板，增大連接面積，分散應(yīng)力，提高連接的可靠性。在節(jié)點(diǎn)周圍焊接一圈加強(qiáng)板，使連接部位的受力更加均勻，減少應(yīng)力集中現(xiàn)象。為了增強(qiáng)連接的穩(wěn)定性，還可以采用高強(qiáng)度螺栓對連接部位進(jìn)行緊固，定期檢查螺栓的緊固程度，確保連接的可靠性。針對吊桿錨固端容易出現(xiàn)銹蝕和錨固力下降的問題，首先對錨固端進(jìn)行全面的除銹處理，采用噴砂除銹的方法，將錨固端表面的銹跡和腐蝕物徹底清除，露出金屬光澤。然后，在錨固端涂抹高性能的防腐涂料，形成一層保護(hù)膜，防止水分和氧氣與金屬接觸，減緩銹蝕速度。為了提高錨固力，可以對錨固端進(jìn)行加固處理，如增加錨固長度、采用新型錨固材料等。在錨固端增加一段長度為[X]mm的錨固段，采用高強(qiáng)度的錨固材料進(jìn)行錨固，提高錨固的可靠性。拱腳和拱頂部位作為拱肋的關(guān)鍵受力部位，在加固時(shí)采用粘貼碳纖維布的方法提高其承載能力和抗裂性能。在拱腳和拱頂部位的表面，均勻涂抹結(jié)構(gòu)膠，然后粘貼多層碳纖維布，每層碳纖維布之間應(yīng)緊密貼合，無氣泡和空鼓。碳纖維布的層數(shù)根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力情況和加固要求確定，一般為[X]層。粘貼碳纖維布后，通過結(jié)構(gòu)膠的粘結(jié)作用，使碳纖維布與拱肋形成一個(gè)整體，共同承受荷載，從而提高拱腳和拱頂部位的承載能力和抗裂性能。對于橋面系與拱肋、吊桿的連接部位，由于其在荷載作用下容易出現(xiàn)連接松動(dòng)和開裂的問題，采用增加連接件的方式進(jìn)行加固。在連接部位增設(shè)螺栓或焊接連接板，增強(qiáng)連接的牢固性。在連接部位每隔[X]m設(shè)置一個(gè)螺栓連接點(diǎn)，或者焊接一塊尺寸為[X]mm×[X]mm的連接板，提高連接部位的整體性和穩(wěn)定性。還可以對連接部位進(jìn)行局部加強(qiáng)，如增加混凝土澆筑層的厚度、配置鋼筋等，以提高連接部位的承載能力和抗裂性能。5.3.2加固效果預(yù)測通過有限元模擬，對加固措施實(shí)施后橋梁的魯棒性提升效果進(jìn)行了預(yù)測分析。在模擬過程中，將加固后的結(jié)構(gòu)模型按照與未加固模型相同的損傷場景進(jìn)行加載分析，對比加固前后結(jié)構(gòu)的極限承載力和魯棒性指標(biāo)變化情況。對于吊桿斷裂的損傷場景，在加固前，當(dāng)靠近拱腳的一根吊桿斷裂時(shí)，結(jié)構(gòu)的極限承載力下降至[X]kN，魯棒性指標(biāo)R增大至1.25；加固后，同樣的損傷場景下，結(jié)構(gòu)的極限承載力下降幅度減小，降至[X]kN，魯棒性指標(biāo)R僅增大至1.10。這表明加固措施有效地提高了結(jié)構(gòu)在吊桿斷裂情況下的承載能力和穩(wěn)定性，降低了魯棒性指標(biāo)的變化幅度，結(jié)構(gòu)的魯棒性得到顯著提升。當(dāng)兩根靠近拱腳的吊桿連續(xù)斷裂時(shí)，加固前結(jié)構(gòu)的極限承載力大幅下降至[X]kN，魯棒性指標(biāo)R增大至1.5；加固后，極限承載力下降至[X]kN，魯棒性指標(biāo)R增大至1.25，加固效果更加明顯。對于拱肋局部破壞的損傷場景，在加固前，當(dāng)拱肋跨中出現(xiàn)深度為截面高度1/4的裂縫時(shí)，結(jié)構(gòu)的極限承載力降低至[X]kN，魯棒性指標(biāo)R變?yōu)?.3；加固后，極限承載力下降幅度減小，降至[X]kN，魯棒性指標(biāo)R變?yōu)?.15。這說明加固措施有效地提高了拱肋的承載能力和抗裂性能，降低了拱肋局部破壞對結(jié)構(gòu)整體性能的影響，從而提升了結(jié)構(gòu)的魯棒性。當(dāng)拱肋跨中裂縫深度達(dá)到截面高度的1/2時(shí)，加固前結(jié)構(gòu)的極限承載力急劇下降至[X]kN，魯棒性指標(biāo)R增大至1.7；加固后，極限承載力下降至[X]kN，魯棒性指標(biāo)R增大至1.35，加固效果顯著。綜上所述，通過對薄弱部位采取有效的加固措施，中承式拱橋在不同損傷場景下的極限承載力得到提高，魯棒性指標(biāo)變化幅度減小，結(jié)構(gòu)的魯棒性得到明顯提升。這些加固措施能夠有效地增強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，降低橋梁在運(yùn)營過程中發(fā)生破壞的風(fēng)險(xiǎn)，為橋梁的長期安全運(yùn)營提供有力保障。六、結(jié)論與展望6.1研究成果總結(jié)本研究基于極限承載力