多跨鋼筋混凝土連續梁損傷前后力學變化探究

高宇航，郝達靖，李國廷，林 淼

（吉林建筑大學交通科學與工程學院，吉林 長春 130118）

0 引言

鋼筋混凝土梁局部出現的損傷會引起整個連續梁的內力發生變化，嚴重影響橋梁的承載能力和使用安全。目前國內學者關于橋梁損傷識別進行了深入研究，總結出相關的橋梁檢測方法，主要分為靜態檢測[1-3]和動態檢測[4-7]。

本文通過有限元分析軟件Midas 建立損傷程度不同的多跨連續梁模型，分析計算了混凝土連續梁損傷后的內力變化規律。

1 模型建立

模型屬性選定混凝土材料的泊松比為0.2，容重為 25 kN/m3，混凝土彈性模量 3.45×107kPa，鋼筋彈性模量2.0×108kPa 。為研究邊跨跨中損傷前后力學變化規律探究，對3 種不同跨數的連續梁進行研究，如圖1 所示。采用Midas 建模如圖2 所示。

圖1 各跨跨徑分布圖（m）

圖2 各跨數Midas 模型圖

每種鋼筋混凝土連續梁均在邊跨跨中位置施加500 kN 的集中力，為模擬結構不同程度的損傷，同時設定結構損傷處寬度分別為0 m，2 m，4 m，8 m，具體信息如圖3 所示。

圖3 不同損傷寬度示意圖

2 內力變化討論

2.1 不同損傷寬度下邊跨跨中內力變化討論

1）三跨鋼筋混凝土連續梁內力變化曲線如圖4～圖 6 所示。

圖4 各損傷寬度下剪力變化圖

圖5 各損傷寬度下彎矩變化圖

圖6 各損傷寬度下撓度變化圖

①根據圖4 分析得到，在不損傷情況下邊跨跨中至第2 號支座之間剪力最大。其損傷寬度為0 m，2 m，4 m，8 m 的情況下剪力值依次為289.74 kN，290.41 kN，291.52 kN，293.69 kN；剪力值增長率分別為0.2%,0.6%,1.4%。整理上述數據得到：剪力值隨著損傷寬度的上升而上升。

②根據圖5 分析得到，在不損傷情況下邊跨跨中正彎矩最大，第2 號支座負彎矩最大。其損傷寬度為0 m，2 m，4 m，8 m 的情況下正彎矩值依次為2 968.3 kN·m，2 918.1 kN·m，2 874.16 kN·m，2 804.48 kN·m；負彎矩值依次為-1 339.09 kN·m，-1 441.44 kN·m，-1 531.04 kN·m，-1 673.13 kN·m ；正彎矩值依次減少1.7%，3.2%，5.5%，負彎矩值依次增加7.6%，14.3%，24.9%。整理上述數據得到：正彎矩值隨著損傷寬度的上升而下降，負彎矩值隨著損傷寬度的上升而上升。

③根據圖6 分析得到，其損傷寬度為0 m，2 m，4 m，8 m 的情況下撓度值依次為1.21 mm,1.32 mm,1.42 mm，1.57 mm；撓度值依次增加9.2%,17.5%,29.7%。整理上述數據得到：撓度值隨著損傷寬度的上升而上升。

2）四跨鋼筋混凝土連續梁內力變化曲線如圖7～圖 9 所示。

①根據圖7 分析得到，在不損傷情況下邊跨跨中至第2 號支座之間剪力最大。其損傷寬度為0 m，2 m，4 m，8 m 的情況下剪力值依次為 203.8 kN，205.92 kN，207.94 kN，211.68 kN ；剪力值增長率依次為1.0%，2.0%，3.9%。整理上述數據得到：剪力值隨著損傷寬度的上升而上升。

圖7 各損傷寬度下剪力變化圖

圖8 各損傷寬度下彎矩變化圖

圖9 各損傷寬度下撓度變化圖

②根據圖8 分析得到，在不損傷情況下邊跨跨中正彎矩最大，第2 號支座負彎矩最大。其損傷寬度為0 m，2 m，4 m，8 m 的情況下正彎矩值依次為2 859.82 kN·m，2 837.56 kN·m，2 816.26 kN·m，2 777.0 kN·m；負彎矩值依次為-1 099.50 kN·m，-1 162.22 kN·m，-1 222.25 kN·m，-1 332.70 kN·m；正彎矩值變化率依次減少0.7%，1.5%，2.9%，負彎矩值依次增加5.7%，11.2%，21.2%。整理上述數據得到：正彎矩值隨著損傷寬度的上升而下降，負彎矩值隨著損傷寬度的上升而上升。

③根據圖9 分析得到，其損傷寬度為0 m，2 m，4 m，8 m 的情況下撓度值依次為1.18 mm,1.25 mm,1.32 mm,1.46 mm；撓度值依次增加5.6%，11.2%，23%。整理上述數據得到：撓度隨著損傷寬度的上升而上升。

3）五跨鋼筋混凝土連續梁內力變化曲線如圖10～圖 12 所示。

圖10 各損傷寬度下剪力變化圖

圖11 各損傷寬度下彎矩變化圖

圖12 各損傷寬度下撓度變化圖

①根據圖10 分析得到，在不損傷情況下邊跨跨中至第2 號支座之間剪力最大。其損傷寬度為0 m，2 m，4 m，8 m 的情況下剪力值依次為 273.16 kN，276.09 kN，278.88 kN，283.37 kN。剪力值增長率依次為1.1%，2.1%，3.7%。整理上述數據得到：剪力值及變化率隨著損傷寬度的上升而上升。

②根據圖11 分析得到，在不損傷情況下邊跨跨中正彎矩最大，第2 號支座負彎矩最大。其損傷寬度為0 m，2 m，4 m，8 m 的情況下正彎矩值依次為 3 061.34 kN·m，3 021.78 kN·m，2 984.01 kN·m，2 923.38 kN·m ；負彎矩值依次為-1 180.71 kN·m，-1 267.43 kN·m，-1 350.21 kN·m，-1 483.10 kN·m；正彎矩值依次減少1.3%，2.5%，4.5%，負彎矩值依次增加7.3%，14.4%，25.6%。整理上述數據得到：正彎矩值隨著損傷寬度的上升而下降，負彎矩值隨著損傷寬度的上升而上升。

③根據圖12 分析得到，其損傷寬度為0 m，2 m，4 m，8 m 的情況下撓度值依次為1.21 mm,1.33 mm,1.43 mm,1.58 mm；撓度值依次增加9.2%，17.6%，30.1%。整理上述數據得到：撓度隨著損傷寬度的變大而變大。

綜上分析不同跨鋼筋混凝土連續梁邊跨跨中內力參數數值變化規律，其中撓度增長最為明顯，分別為29.7%，23%，30.1%。

3 結論

1）通過Midas 軟件建立模型，分別分析了邊梁中跨位置在不同損傷寬度情況下的3 個重要參數剪力、彎矩、撓度的變化規律。

2）當集中荷載作用于邊跨跨中時，通過比較不同損傷寬度情況下3 個重要參數剪力、彎矩、撓度的變化規律，得到當邊跨跨中損傷寬度上升時，剪力隨之上升、正彎矩值下降、負彎矩值上升、撓度值上升。

3）通過對比分析邊跨跨中在不同寬度損傷情況下3 個重要參數剪力、彎矩、撓度的變化規律，通過數據對比得到撓度變化率最大，得以確定為撓度值為損傷識別參數。