基于加速度幅值比的空心板梁橋鉸縫損傷評(píng)價(jià)應(yīng)用研究

徐亞林

摘要：鉸縫作為板梁橋橫向傳力構(gòu)件，直接影響橋梁的結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定，對(duì)其進(jìn)行檢測評(píng)估十分必要。研究通過ANSYS有限元軟件進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析，對(duì)不同損傷位置（跨中、梁端）及不同損傷程度（0%、25%、50%、75%）下的鉸縫進(jìn)行模擬，提出了加速度幅值比來定義鉸縫損傷，并得到鉸縫損傷的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)江蘇省高速公路某一混凝土空心板梁橋進(jìn)行鉸縫損傷的實(shí)測研究，進(jìn)一步分析和驗(yàn)證了鉸縫損傷評(píng)估方案的應(yīng)用效果。

Abstract： As the transverse force transmission member of the slab beam bridge， the hinge joint directly affects the safety and stability of the bridge structure， and its detection and evaluation are very necessary. The study used ANSYS finite element software to perform dynamic response analysis， and simulated hinge joints at different damage positions （span mid-span and beam end） and different damage levels （0%， 25%， 50%， 75%）. The value ratio was used to define the hinge damage， and the evaluation standard of the hinge damage was obtained. Based on the simulation， the joint joint damage measurement of a concrete hollow slab beam bridge in Jiangsu Province was carried out. The effect of the joint joint damage assessment scheme was further analyzed and verified.

關(guān)鍵詞：橋梁病害;鉸縫損傷評(píng)價(jià);加速度幅值比;實(shí)橋運(yùn)用

0? 引言

混凝土空心板梁橋作為中小跨徑典型橋梁，被廣泛應(yīng)用于高等級(jí)公路建設(shè)中。經(jīng)過長期的運(yùn)營服役，面臨著交通量急劇增長、服役環(huán)境復(fù)雜多變等問題。鉸縫作為板梁橫向傳力的構(gòu)件，存在鉸縫滲水、析白、脫落等問題，直接影響橋梁的橫向傳力效果，嚴(yán)重情況下會(huì)造成“單板受力”現(xiàn)象[1～2]。因此，研究鉸縫的損傷規(guī)律及性能評(píng)估就顯得十分重要。近年來，國內(nèi)外學(xué)者圍繞板梁橋鉸縫問題進(jìn)行研究，提出了基于鉸縫剛度變化、相對(duì)位移指標(biāo)、加速度幅值變化、振型數(shù)據(jù)變化等一系列鉸縫損傷評(píng)估檢測方法，但是相關(guān)方法的應(yīng)用都具有一定對(duì)象適用性和局限性[3～7]。因此，深入研究鉸縫性能劣化規(guī)律并建立鉸縫損傷檢測評(píng)估體系就尤為重要，本文以江蘇省高速公路服役的混凝土空心板梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，進(jìn)行鉸縫損傷評(píng)估的研究，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

1? 有限元數(shù)值模擬

研究采用ANSYS有限元軟件建立了13m跨徑、13塊板梁鉸接的橋梁模型，通過車輛模型進(jìn)行有限元的車轎耦合動(dòng)力響應(yīng)分析，考察鉸縫劣化因素對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁結(jié)構(gòu)的性能影響，著重關(guān)注板梁的撓度、加速度等數(shù)值變化規(guī)律。板梁結(jié)構(gòu)幾何尺寸及建模過程如表1和圖1所示。

研究采用刪除鉸縫實(shí)體單元的方法來表征鉸縫受損，對(duì)于13塊板梁鉸接的橋梁而言，共有12條混凝土鉸縫，模擬針對(duì)第6#鉸縫分別在跨中和梁端進(jìn)行不同程度的鉸縫損傷模擬（見圖2 ），鉸縫損傷模擬工況如表2所示。

研究采用加速度幅值比來定義鉸縫損傷，其基本原理是采用鉸縫兩側(cè)梁板的加速度幅值進(jìn)行比值分析，該指標(biāo)既考慮了單塊板梁的撓度、加速度結(jié)果，也同時(shí)考慮了相鄰板梁的傳力效果。研究對(duì)于第6#鉸縫在不同位置及不同受損程度下，板梁動(dòng)力響應(yīng)的加速度幅值比結(jié)果進(jìn)行匯總分析，如表3所示。

通過對(duì)第6#鉸縫在不同鉸縫受損工況下的動(dòng)力響應(yīng)及加速度幅值比進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)隨著鉸縫受損程度的增大，無論是鉸縫跨中位置還是梁端位置，其加速度幅值比均不斷增大。對(duì)于跨中處鉸縫受損的工況，其跨中處的加速度幅值比要大于1/4跨處，而梁端處鉸縫受損的工況，結(jié)果相反。說明越靠近鉸縫受損處，其加速度幅值比越大。為進(jìn)一步探究鉸縫損傷的評(píng)估，研究將鉸縫損傷及對(duì)應(yīng)的加速度幅值比進(jìn)行等級(jí)劃分，如表4所示。

2? 實(shí)橋檢測應(yīng)用

2.1 橋梁基本概況

研究選用江蘇省內(nèi)某高速公路板梁橋?yàn)閷?shí)測對(duì)象，進(jìn)行鉸縫損傷的評(píng)估，該橋上部結(jié)構(gòu)為6×13m先張法預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，橋?qū)?4m。該橋鉸縫損傷的外部表現(xiàn)較為明顯，鉸縫滲水、析白情況較為嚴(yán)重，部分鉸縫勾縫脫落，鉸縫病害外觀如圖3所示。

2.2 檢測方案

研究采用電子位移計(jì)分別測試板梁的撓度變形、鉸縫的開合和錯(cuò)臺(tái)，相關(guān)數(shù)據(jù)的采集需要在持續(xù)交通流情況下監(jiān)測20分鐘，采樣頻率為200Hz。其中，鉸縫的開合是指其相鄰板梁在水平方向上距離變化，錯(cuò)臺(tái)是指相鄰板梁在豎向方向上的位移值，相關(guān)測定點(diǎn)的布置示意如圖4所示。

2.3 檢測分析

通過對(duì)檢測數(shù)據(jù)的提取，研究首先分析了第6#和7#鉸縫的開合數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖5和圖6所示。

由圖5、圖6可知，6鉸縫在兩個(gè)時(shí)段采集的實(shí)測開合數(shù)據(jù)均大于7#鉸縫，6#鉸縫開合最大達(dá)到0.132mm。

在鉸縫外觀檢測的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)第6#鉸縫1/4跨處至跨中處伴有不同程度的析白、滲水現(xiàn)象，長度約為5m，數(shù)據(jù)測試和采集過程中著重關(guān)注了6#～8#板梁撓度的數(shù)據(jù)變化，其監(jiān)測結(jié)果如圖7、圖8所示。

由圖7、圖8可知，當(dāng)有車輛通過橋面時(shí)，板梁會(huì)有一定下?lián)希瑩隙葧?huì)呈現(xiàn)一定幅度波動(dòng)，最終再恢復(fù)初始狀態(tài)。其中，相對(duì)于8#板梁，6和7板梁的下?lián)细鼮槊黠@，說明第6#鉸縫橫向傳力效果不如第7#鉸縫，通過數(shù)據(jù)處理后進(jìn)一步得到6#鉸縫和7#鉸縫在跨中及1/4跨處的相對(duì)位移時(shí)程曲線，如圖9和圖10所示。

如圖9、圖10所示，6#鉸縫在跨中及1/4跨處的相對(duì)位移時(shí)程曲線均遠(yuǎn)大于7#鉸縫，說明鉸縫6#已存在損傷，該結(jié)論與鉸縫外觀檢測一致，相對(duì)而言，7#鉸縫的相對(duì)位移實(shí)測值趨近于0，說明鉸縫未受損傷，傳力效果較好。為一步評(píng)估6#鉸縫的損傷等級(jí)，對(duì)鉸縫兩側(cè)板梁的位移時(shí)程曲線進(jìn)行處理得到加速度時(shí)程曲線，如圖11和圖12所示。

由圖11、圖12可知，第6#板梁的加速度幅值要大于7#板梁，計(jì)算得到6#和7#鉸縫的加速度幅值比分別為1.14和0.98。根據(jù)前文鉸縫損傷評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)來看，6#鉸縫處于輕微損傷，而7#鉸縫未受損。加速度幅值比在考慮相鄰板梁加速度時(shí)程曲線的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步驗(yàn)證和量化了鉸縫評(píng)估指標(biāo)，該檢測評(píng)估方法具有一定科學(xué)性和可實(shí)踐操作性。

3? 結(jié)語

本文通過ANSYS有限元模擬空心板梁橋動(dòng)力響應(yīng)分析發(fā)現(xiàn)，隨著鉸縫破壞程度的增加，鉸縫相對(duì)位移等指標(biāo)也隨之增大，進(jìn)一步總結(jié)出利用加速度幅值比來衡量鉸縫損傷程度，該方法為實(shí)際工程評(píng)價(jià)橋梁鉸縫損傷程度提供一種新的思路。

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