空心板梁橋鉸縫損傷后動(dòng)力特性數(shù)值模擬

王成煒 何文正

（1.重慶市市政設(shè)施運(yùn)行保障中心，重慶 400015；2.重慶廣播電視大學(xué)，重慶 400052）

0 引言

梁板之間的鉸縫是直接關(guān)系到橋面系的整體受力性能和鋪裝層使用質(zhì)量的重要部件，也是單片梁板確保其承受的荷載符合按彈性分配計(jì)算結(jié)果的必要前提。混凝土鉸縫完全開裂或脫落將導(dǎo)致梁板橫向連接失效，致使橋梁出現(xiàn)“受力單板”現(xiàn)象。橋梁?jiǎn)伟迨芰κ箻蛄毫喊迨M向連接，車輛的作用不能在整個(gè)橋梁中按“橫向分布計(jì)算”結(jié)果分配，而是直接作用于某片梁上。因此過大的荷載導(dǎo)致梁體的混凝土和鋼筋提前進(jìn)入疲勞階段[1]，受力裂縫先出現(xiàn)在橋梁下部的兩側(cè)，然后發(fā)展成橫向的貫穿裂縫，并由一條發(fā)展為多條，橋梁出現(xiàn)向下?lián)锨喜炕炷疗扑楹土喊迨コ休d功能，甚至出現(xiàn)斷裂[2]。因此在整個(gè)空心板橋梁中，鉸縫并不起眼卻扮演了重要的角色，本文以重慶市內(nèi)環(huán)城市快速路某空心板梁橋?yàn)槔捎糜邢拊治鍪侄危瑢?duì)鉸縫損傷后的動(dòng)力特性進(jìn)行了模擬分析。

1 工程概況

重慶市內(nèi)環(huán)城市快速路某空心板梁橋位于沙坪壩區(qū)，橋梁的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：空心板橋跨徑12.6m，全橋由9 塊預(yù)應(yīng)力混凝土空心板組成，混凝土標(biāo)號(hào)為C40，具體尺寸見圖1、圖2。

圖1 簡(jiǎn)支梁空心板橋橫截面布置（單位：cm）

圖2 空心板橋橫截面（單位：cm）

2 有限元模型的建立

該橋?yàn)殂q接板橋，板與板之間依靠鉸縫進(jìn)行聯(lián)系，鉸縫只傳遞剪力不傳遞彎矩。故建模時(shí)必須把板與板之間的轉(zhuǎn)動(dòng)約束釋放。空心板采用梁?jiǎn)卧M，鉸縫用Beam44 單元模擬，Beam44 單元通過設(shè)置Keyopt 值的屬性可將J 節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)全部釋放，模型見圖3。

本文結(jié)合有限元模型更新技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同程度的鉸縫損傷的模擬。由于鉸縫的損傷體現(xiàn)在鉸縫傳遞剪力能力的降低，可通過鉸縫單元?jiǎng)偠鹊慕档蛠韺?shí)現(xiàn)。鉸縫無損傷時(shí)，1 號(hào)梁作用一個(gè)單位荷載時(shí)，橫向分布系數(shù)為0.307。除了無損傷的狀態(tài)以外，還考慮以下幾個(gè)工況：①鉸縫損傷25%；②鉸縫損傷50%；③鉸縫損傷95%。

圖3 空心板模型

3 計(jì)算結(jié)果

采用ANSYS 動(dòng)力計(jì)算模塊，在鉸縫無損傷狀態(tài)下，空心板梁的前五階振型見圖4。

圖4 無損傷狀態(tài)下的前五階振型

各工況下空心板橋的自振頻率變化以及振型描述如表1 所示。

從上述表1 結(jié)果可見，鉸縫損傷對(duì)結(jié)構(gòu)縱向豎彎振型的振動(dòng)頻率沒有影響，而對(duì)橫向豎向彎曲振型影響較大，其振動(dòng)頻率明顯降低，并且隨著損傷程度的增大，頻率下降得越明顯。即使鉸縫只損傷25%的時(shí)候，第二階頻率也下降了5.74%。除此之外，鉸縫的損傷也引起了振型的變化，從表中可以看出，鉸縫損傷達(dá)到50%以后，第五階振型由縱向反對(duì)稱豎彎變成了橫向正對(duì)稱彎曲。

表1 自振頻率比較

4 結(jié)論

為了揭示鉸縫損傷后的空心板梁橋受力性能動(dòng)力特性變化，本文采用有限元法對(duì)重慶市內(nèi)環(huán)城市快速路某橋梁動(dòng)力特性進(jìn)行了模擬，得到了各工況下動(dòng)力特性的變化，得出如下結(jié)論：

（1）鉸縫的損傷明顯導(dǎo)致了空心板自振頻率的降低，并且隨著損傷程度得增大，頻率下降得越明顯。

（2）通過頻率的下降程度可以進(jìn)行鉸縫損傷的識(shí)別。