Статический анализ несущих тросов в условиях изменяющейся прочности хорды при проверке повреждения троса на вантовых мостах

Цель исследования. Мостовые сооружения часто подвергаются воздействию суровых погодных условий, землетрясений, дорожно-транспортных происшествий и даже взрывчатых веществ. Мостовые сооружения могут потерять некоторые из своих важных конструктивных элементов (например, тросы или опоры) в результате таких интенсивных внешних воздействий, и возможно дальнейшее обрушение, поскольку прогрессирующее обрушение часто вызвано внезапной потерей одного или нескольких важных конструктивных компонентов. Вантовые мосты имеют очень малую площадь поперечного сечения и подвергаются высоким нагрузкам. Такое сильное давление может привести к разрушению зон крепления из-за высокой концентрации напряжений, что приведет к обрыву кабеля. Мосты с вантовыми опорами должны быть тщательно исследованы на предмет опасности постепенного обрушения, вызванного сценариями обрыва кабеля. Необходимо учитывать наиболее распространенные сценарии обрыва кабеля на протяжении всего процесса проектирования. Чтобы оценить последствия обрыва кабеля, выполняется статический анализ с использованием двух методов (DAF). Существует два основных способа избежать постепенного обрушения. Во-первых, принимаются конструктивные или неструктурные меры для обеспечения высокого уровня безопасности при локальном обрушении. Во-вторых, необходимо предотвратить распространение сбоев, создав прочную основу, допускающую локальные сбои.

Методы. Повреждения тросов при математическом моделировании вантовых мостов. Непрерывная балка, подвешенная к натяжным элементам (тросам), составляет основу концептуальной модели. Его план расчета прочности путем сравнения матриц жесткости и гибкости неповрежденных и поврежденных систем. Матрица жесткости для неповрежденной системы вычисляется с использованием ее уменьшенной формы. Матрица гибкости затем вычисляется путем инвертирования матрицы уменьшенной жесткости. Концептуальная модель является итеративной. В результате матрица жесткости бесконечна. Для прямых аналитических вычислений параметр η задается как отношение жесткости системы ( = ), и получается уменьшенная форма матрицы жесткости для получения неповрежденного состояния.

Результаты исследования. Модуль секущей, по-видимому, дает очень хорошее приближение, поскольку погрешность остается менее 1% для кабелей длиной до 300 м и менее 2% для кабелей длиной до 750 м. А поскольку длина самого маленького кабеля на Русском мосту составляет 135,77 метра, а самого длинного - 579,57 метра, в результате частота ошибок кабелей на Русском мосту останется для некоторых кабелей менее 1%, а для других кабелей менее 2%. Учитывая, что модуль упругости стального материала троса редко известен с точностью более 2-3%, очевидно, что метод определения секущего модуля был бы пригоден для всех практических целей. Касательный модуль часто проще в использовании, чем секущий модуль, поскольку необходимо знать только напряжение кабеля в исходном состоянии. С другой стороны, касательный модуль может привести к ошибочным выводам при большой длине кабеля и большом соотношении трафика к холостому ходу, как показано на рисунке 8.

Заключение. Расстояние между двумя соседними кабелями на современных мостах значительно меньше, чем на старых мостах. В результате в случае автомобильной аварии или взрыва на новом мосту несколько кабелей выйдут из строя. В результате было предложено, чтобы проектировщики мостов учитывали разрыв всех кабелей в радиусе 10 метров. Было проведено несколько исследований, чтобы найти DAF в мостах. Предложенный DAD безопасен для конструкции кабеля, то есть он небезопасен для конструкций пилонов или балок с отрицательными моментами.

1. Rosignoli M.. Bridge construction equipment. In Innovative Bridge Design Handbook, 2016; 701-717. Butterworth-Heinemann.

2. Weber F., Distl H. Amplitude and frequency independent cable damping of Sutong Bridge and Russky Bridge by magnetorheological dampers. Structural Control and Health Monitoring, 2015; 22(2): 237-254.

3. Starossek U. Progressive Collapse and Bridge Dynamics. National Scientific Seminar on Dynamics and Progressive Collapse in Cable-Stayed Bridges. Hanoi, Vietnam, 2011.

4. Kempski J. Steifigkeits- und Flexibilitätsmatrix eines unendlichen Systems. Project for master degree, Hamburg University of Technology, Hamburg, Germany, 2016.

5. Starossek U. Progressive collapse of structures. ICE Publishing, London, 2018.

6. Shoghijavan M. Progressive collapse in long-span cable-supported bridges. Technische Universität Hamburg, 2020.

7. Ahmed A. R., Yermoshin N. A. Optimum design of cable-stayed bridges considering cable loss scenarios. Asian Journal of Civil Engineering, 2023; 1-9.

8. Kaveh A., Zarandi M. M. M. Optimal design of steel-concrete composite I-girder bridges using three meta-heuristic algorithms. Periodica Polytechnica Civil Engineering, 2019; 63(2): 317-337.

9. Gimsing N. J., Georgakis C. T. Cable supported bridges: Concept and design. John Wiley & Sons., 2011.

10. Ahmed A. R., Ermoshin N. Assessment of the Cable-Stayed and Cable Damping System Used in the Russky Bridge and Determination of the Force Acting on the Bridge's Cables. In International Scientific Conference on Agricultural Machinery Industry “Interagromash"” (pp. 2719-2730). Cham: Springer International Publishing, 2022, May.

11. El Shenawy E. A. Form finding for cable-stayed and extradosed bridges. 2013. https://d-nb.info/1030364877/34.

12. Ahmed A. R., Ermoshin N. Method for investigating the reliability of structural ele-ments of cable-stayed supports' anchorage: a case study of the Russky Bridge. Transportation Research Procedia, 2022; 63: 2887-2897.

13. Ha M. H., Vu Q. A., Truong V. H. (2018). Optimum design of stay cables of steel cable-stayed bridges using nonlinear inelastic analysis and genetic algorithm. In Structures. November 2018; 16: 288-302. Elsevier. https://doi.org/10.1016/j.istruc.2018.10.007.

14. Farkas J., Jármai K. Analysis and optimum design of metal structures. CRC Press, 2020

15. Ha Manh-Hung, Quoc-Anh Vu, Viet-Hung Truong. Optimum design of stay cables of steel cable-stayed bridges using nonlinear inelastic analysis and genetic algorithm. Structures, 16. 2018.

16. Wang G., Ye J. Localization and quantification of partial cable damage in the longspan cable‐stayed bridge using the abnormal variation of temperature‐induced girder deflection. Structural Control and Health Monitoring, 2019; 26(1): e2281.

17. Huang Y., Wang Y., Fu J., Liu A., Gao W. Measurement of the real-time deflection of cable-stayed bridge based on cable tension variations. Measurement, 2018; 119: 218-228. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2018.01.070.

18. Wolff M., Starossek U. Cable loss and progressive collapse in cablestayed bridges. Bridge Structures, 2009; 5: 17-28.

19. Martins A. M., Simões L. M., Negrão J. H. Optimization of cable-stayed bridges: A literature survey. Advances in Engineering Software, 2020; 149: 102829.