既有損傷混凝土梁橋車橋耦動(dòng)力分析

張 萍 張笑塵 賈 杰

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

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既有損傷混凝土梁橋車橋耦動(dòng)力分析

張 萍 張笑塵 賈 杰

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

以公路混凝土梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，分析了結(jié)構(gòu)損傷及損傷演化的車輛作用下橋梁動(dòng)力的工作性能，提出考慮結(jié)構(gòu)損傷的車橋耦合振動(dòng)多尺度分析方法，探討了該情況下橋梁動(dòng)力行為的作用機(jī)理和影響規(guī)律。

混凝土梁橋，結(jié)構(gòu)損傷，車橋耦合

0 引言

移動(dòng)車輛荷載是公路橋梁運(yùn)營(yíng)期內(nèi)的最主要?jiǎng)恿奢d形式，現(xiàn)階段我國(guó)公路運(yùn)輸業(yè)正朝著高速、重型化的方向發(fā)展，橋梁構(gòu)造形式日趨復(fù)雜化、輕型化，移動(dòng)車輛荷載引起的橋梁動(dòng)力效應(yīng)越發(fā)顯著。

橋梁結(jié)構(gòu)損傷和外部環(huán)境的聯(lián)合作用會(huì)造成許多重大事故的發(fā)生。2001年四川宜賓小南門大橋發(fā)生橋面局部塌毀，動(dòng)力車載的沖擊作用、長(zhǎng)期重載交通及環(huán)境因素造成了這一后果；2009年黑龍江省呼蘭河大橋垮塌的直接原因是沖刷病害嚴(yán)重的基礎(chǔ)和車橋動(dòng)力耦合效應(yīng)的聯(lián)合作用。工程實(shí)例表明，結(jié)構(gòu)損傷與車載下橋梁動(dòng)力行為的耦合作用已成為導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)性能持續(xù)劣化乃至發(fā)生惡性事故的重要因素之一[1]，既有損傷因素對(duì)車輛作用下橋梁動(dòng)力工作性能的影響問題不容忽視。

目前，對(duì)大型橋梁可通過結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保障其運(yùn)營(yíng)安全，而對(duì)數(shù)量占優(yōu)的中小型橋梁檢測(cè)評(píng)定規(guī)程主要采用荷載試驗(yàn)和技術(shù)狀況檢測(cè)的方法。動(dòng)力荷載試驗(yàn)只能定性評(píng)價(jià)橋梁的整體性能；結(jié)構(gòu)損傷對(duì)橋梁車載動(dòng)力性能的影響問題在技術(shù)狀況評(píng)定中并未考慮。目前基于橋梁車載動(dòng)力性能的結(jié)構(gòu)評(píng)定理論框架尚未建立，結(jié)構(gòu)損傷狀況對(duì)車橋耦合動(dòng)力行為的影響還缺乏系統(tǒng)的研究。

我國(guó)公路橋梁設(shè)計(jì)通過沖擊系數(shù)來反映車輛荷載的動(dòng)力效應(yīng)。但該方法不能反映移動(dòng)車輛對(duì)橋梁性能的動(dòng)態(tài)影響。針對(duì)既有中小型橋梁結(jié)構(gòu)，考慮結(jié)構(gòu)損傷及損傷演化，開展車橋耦合振動(dòng)的多尺度分析十分必要。

橋梁的維修和改造加固以及車載下結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能的提升較少關(guān)注。對(duì)于亞健康橋梁的限載車型、車速、車輛作用形式等具體標(biāo)準(zhǔn)一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，缺少基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能的量化限載標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)，一定程度上影響了橋梁運(yùn)營(yíng)的安全可靠性以及經(jīng)濟(jì)合理性。

現(xiàn)有公路橋梁車橋耦合振動(dòng)的研究側(cè)重點(diǎn)在于車輛荷載作用形式、橋面幾何特征等因素對(duì)橋梁動(dòng)力響應(yīng)的影響、考慮地震或風(fēng)荷載作用下的車橋系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)等問題[2]。而對(duì)于既有橋梁各種損傷狀況對(duì)車載下橋梁動(dòng)力工作性能的影響規(guī)律，以及結(jié)構(gòu)損傷、損傷演化與車橋動(dòng)力行為的相互作用機(jī)理等方面還未有系統(tǒng)深入的研究，相關(guān)的基礎(chǔ)研究工作亟待開展。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 車輛與公路橋梁相互作用的研究現(xiàn)狀和分析

車輛與橋梁動(dòng)力相互作用的早期研究主要采用動(dòng)力試驗(yàn)和古典解析方法來進(jìn)行，電子計(jì)算機(jī)和有限元方法的發(fā)展使車橋動(dòng)力相互作用分析進(jìn)入了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究的階段。

既有車輛作用下公路橋梁動(dòng)力行為的研究集中在：

1)車輛作用形式對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響分析，考慮的因素包含了不同的車輛動(dòng)力變化參數(shù)；

2)橋面平整度、結(jié)構(gòu)阻尼和結(jié)構(gòu)形式等等對(duì)車橋振動(dòng)響應(yīng)的影響；

3)車橋耦合振動(dòng)問題求解方法的研究[3]。

國(guó)外相關(guān)研究的因素主要涉及：路面平整度被視為平穩(wěn)隨機(jī)過程時(shí)，車輛特征對(duì)簡(jiǎn)支梁的車橋振動(dòng)響應(yīng)；隨機(jī)車型的組合對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的沖擊效應(yīng)；橋梁跨度對(duì)結(jié)構(gòu)的沖擊系數(shù)；大跨度連續(xù)箱梁橋的車橋耦合作用[4]；預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋和斜拉橋在移動(dòng)車輛下的振動(dòng)行為特征。

我國(guó)對(duì)公路橋梁的車橋耦合振動(dòng)研究已廣泛開展。國(guó)內(nèi)學(xué)者分別采用了結(jié)構(gòu)力學(xué)、隨機(jī)過程理論、模態(tài)分析方法、車橋耦合振動(dòng)方程、調(diào)制阻尼器分析了不同橋型和不同車輛自身因素下的公路橋梁動(dòng)力行為的變化。

目前橋梁設(shè)計(jì)主要借助“沖擊系數(shù)”公式來考慮車輛動(dòng)力效應(yīng)，但各國(guó)規(guī)范給出的沖擊系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式相差很大[5]?？傮w沖擊系數(shù)很難準(zhǔn)確描述橋梁不同構(gòu)件所受到的沖擊作用，實(shí)際橋梁的部分構(gòu)件受到的局部沖擊效應(yīng)可能遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)整體。目前，國(guó)內(nèi)橋梁結(jié)構(gòu)的局部構(gòu)件出現(xiàn)的開裂、損傷等安全上的重大隱患正好說明這一問題。

1.2 損傷結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能的研究現(xiàn)狀和分析

現(xiàn)階段針對(duì)既有損傷結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能的研究主要包括：

1)結(jié)構(gòu)損傷的數(shù)值模擬方法；

2)損傷結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性；

3)面向損傷識(shí)別的損傷結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)研究。其中，裂縫/裂紋損傷是研究的重點(diǎn)。

針對(duì)橋梁典型病害對(duì)結(jié)構(gòu)性能的研究主要包括：

1)基礎(chǔ)沖刷對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力性能的影響；

2)沉降差在橋梁中產(chǎn)生的動(dòng)力放大系數(shù)隨著跨徑增大而逐漸減?。?/p>

3)連接條件的變化對(duì)移動(dòng)荷載下橋梁動(dòng)力響應(yīng)的影響[6]。

目前損傷結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能的研究主要局限于梁、板等簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，但公路混凝土梁橋的運(yùn)營(yíng)過程中常見損傷涵蓋了開裂、銹蝕、構(gòu)件破損、變位、結(jié)構(gòu)體系變異等多種類型，綜合考慮多損傷聯(lián)合作用的橋梁動(dòng)力性能研究還未見報(bào)道。目前關(guān)于橋梁病害對(duì)橋梁車載動(dòng)力沖擊效應(yīng)影響的研究還難以實(shí)現(xiàn)橋梁動(dòng)力行為的多尺度描述。

2 存在的主要問題

總結(jié)分析國(guó)內(nèi)外與本項(xiàng)目相關(guān)方向的研究現(xiàn)狀，我們發(fā)現(xiàn)存在如下幾點(diǎn)問題：

1)車橋相互作用的相關(guān)研究對(duì)于結(jié)構(gòu)局部動(dòng)力行為研究較少?，F(xiàn)有的分析模型難以反映車輛荷載下橋梁結(jié)構(gòu)總體、局部構(gòu)件和結(jié)構(gòu)細(xì)觀尺度層面的動(dòng)力行為特征?；诙嗉?jí)結(jié)構(gòu)分析理論，有效平衡計(jì)算代價(jià)和模型規(guī)模的關(guān)系，構(gòu)建可以描述車橋系統(tǒng)多尺度動(dòng)力行為的動(dòng)力分析方法非常必要。

2)移動(dòng)車載下橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力行為特征是運(yùn)營(yíng)橋梁動(dòng)力工作性能的重要標(biāo)志，現(xiàn)有的研究中，關(guān)于橋梁自身健康狀況對(duì)車橋系統(tǒng)動(dòng)力行為的影響較少考慮。橋梁各處損傷隨著運(yùn)營(yíng)年限的增長(zhǎng)而不斷出現(xiàn)。目前有關(guān)結(jié)構(gòu)損傷與車載下橋梁動(dòng)力性能的相互作用機(jī)理和規(guī)律的研究開展較少。

3)現(xiàn)有的損傷結(jié)構(gòu)動(dòng)力行為研究，主要以發(fā)展結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別理論和方法為最終目的，關(guān)注的損傷類型和結(jié)構(gòu)形式還比較單一。面向結(jié)構(gòu)損傷后的橋梁結(jié)構(gòu)車載動(dòng)力性能的研究還較少。開展結(jié)構(gòu)損傷、損傷演化與既有橋梁結(jié)構(gòu)車載動(dòng)力性能間的相互作用機(jī)理和影響規(guī)律的系統(tǒng)研究，將從結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能角度為在役橋梁動(dòng)力評(píng)定、科學(xué)維護(hù)、動(dòng)力加固和改造等問題提供理論依據(jù)和指導(dǎo)意見。

根據(jù)目前考慮結(jié)構(gòu)健康狀況的車橋耦合振動(dòng)研究還較欠缺的現(xiàn)狀，開展考慮結(jié)構(gòu)損傷的車橋耦合動(dòng)力行為的系統(tǒng)研究具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

3 可行的研究方向

以公路混凝土梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，應(yīng)用數(shù)值模擬、理論分析和試驗(yàn)研究方法，開展面向結(jié)構(gòu)損傷及損傷演化的車輛作用下既有橋梁動(dòng)力行為的系統(tǒng)研究，提出考慮結(jié)構(gòu)損傷的車橋耦合振動(dòng)多尺度分析方法，研究結(jié)構(gòu)損傷對(duì)車載下橋梁動(dòng)力行為的影響規(guī)律和機(jī)理，從動(dòng)力工作性能角度為既有橋梁的科學(xué)維護(hù)、舊橋改造加固設(shè)計(jì)和亞健康危舊橋梁運(yùn)營(yíng)限載標(biāo)準(zhǔn)確定等工程問題的精細(xì)量化處理提供理論依據(jù)和指導(dǎo)意見，推動(dòng)橋梁動(dòng)力性能評(píng)定理論和方法向定量化和精細(xì)化方向發(fā)展?？尚械难芯糠较蛉缦隆?/p>

3.1 面向車橋耦合振動(dòng)的公路混凝土梁橋典型損傷數(shù)值模擬

1)公路混凝土梁橋典型損傷的數(shù)值模擬。針對(duì)具體損傷類型，聯(lián)合損傷力學(xué)原理與有限元方法，提出數(shù)值模擬策略和方法；根據(jù)損傷類別和損傷演化后情況，考慮車橋耦合動(dòng)力行為分析的特點(diǎn)和需要，提出適合于車橋振動(dòng)分析的混凝土梁橋典型損傷的數(shù)值模擬方法和計(jì)算模型。

2)通過國(guó)內(nèi)外已有研究的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析結(jié)果對(duì)損傷模擬方法進(jìn)行驗(yàn)證。

3.2 基于多級(jí)結(jié)構(gòu)分析理論的公路混凝土梁橋車橋耦合振動(dòng)分析方法

1)建立車橋耦合振動(dòng)的多尺度分析方法。提出基于多級(jí)結(jié)構(gòu)分析理論的混凝土梁橋多尺度數(shù)值模擬方法；建立公路橋梁典型車輛空間分析模型和車輛作用形式模型；提出具有較高計(jì)算效率和精度，可反映結(jié)構(gòu)局部細(xì)節(jié)、構(gòu)件及整體動(dòng)力行為的車橋耦合振動(dòng)的多尺度分析方法和計(jì)算模型；編制開發(fā)專門的分析程序。2)基于多座 典型橋梁工程的動(dòng)力試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證分析方法和計(jì)算模型的正確性和適用性。

3.3 考慮結(jié)構(gòu)損傷的公路混凝土梁橋車橋耦合動(dòng)力行為研究

1)建立考慮結(jié)構(gòu)損傷的車橋耦合動(dòng)力行為多尺度分析方法。以車橋耦合振動(dòng)多尺度分析方法和所建立的典型損傷數(shù)值模型為基礎(chǔ)，提出可融合單一損傷和多種損傷的混凝土梁橋車橋耦合振動(dòng)多尺度分析方法，建立計(jì)算模型并編制專門的分析程序。

2)通過既有舊橋動(dòng)力試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室模型試驗(yàn)等手段，對(duì)分析方法、數(shù)值模型和計(jì)算程序進(jìn)行驗(yàn)證。

3)車橋動(dòng)力行為對(duì)結(jié)構(gòu)損傷的多維敏感性研究?？紤]車輛作用形式特征、結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)和多損傷狀況等多因素的聯(lián)合作用，進(jìn)行車載下橋梁動(dòng)力行為對(duì)結(jié)構(gòu)損傷的多維敏感性的系統(tǒng)分析，為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。

4)結(jié)構(gòu)損傷對(duì)車橋動(dòng)力行為的作用機(jī)理和影響規(guī)律研究。以多維敏感性分析結(jié)果為基礎(chǔ)，選取典型橋型，考慮多因素影響，利用數(shù)值模擬分析方法，系統(tǒng)研究結(jié)構(gòu)損傷對(duì)車橋動(dòng)力行為的作用機(jī)理和影響規(guī)律，從動(dòng)力工作性能角度為既有橋梁的科學(xué)維護(hù)、舊橋狀態(tài)評(píng)估、加固改造設(shè)計(jì)和亞健康橋梁限載標(biāo)準(zhǔn)確定等工程問題的精細(xì)量化處理提供理論依據(jù)和指導(dǎo)意見。

3.4 基于損傷演化的車輛作用下混凝土梁橋動(dòng)力性能研究

1)建立基于車載下橋梁動(dòng)力性能的橋梁結(jié)構(gòu)評(píng)定理論框架?；谲囕d下橋梁動(dòng)力性能的全新角度，提出結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和結(jié)構(gòu)損傷評(píng)定量度，針對(duì)橋梁中常見的多損傷聯(lián)合作用情況，采用綜合評(píng)價(jià)分析方法，建立基于車載動(dòng)力工作性能的橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)定理論框架。2)考慮結(jié)構(gòu)損傷演化的橋梁結(jié)構(gòu)“時(shí)變沖擊系數(shù)”研究。針對(duì)結(jié)構(gòu)損傷演化時(shí)變特性，提出“時(shí)變沖擊系數(shù)”的概念，以結(jié)構(gòu)損傷對(duì)橋梁車載動(dòng)力行為的影響規(guī)律和敏感性分析的研究結(jié)果為基礎(chǔ)，研究面向損傷后的橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)變沖擊系數(shù)的計(jì)算方法。

4 結(jié)語(yǔ)

文章通過對(duì)車橋相互作用和損傷結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能現(xiàn)狀的分析，發(fā)現(xiàn)了研究中存在的問題，并以公路混凝土梁橋?yàn)閷?duì)象，明確了未來的可行性研究方向，主要包括：面向車橋耦合振動(dòng)的公路混凝土梁橋典型損傷數(shù)值模擬；基于多級(jí)結(jié)構(gòu)分析理論的公路混凝土梁橋車橋耦合振動(dòng)分析方法；考慮結(jié)構(gòu)損傷的公路混凝土梁橋車橋耦合動(dòng)力行為研究；基于損傷演化的車輛作用下混凝土梁橋動(dòng)力性能研究。這將有利于完善橋梁設(shè)計(jì)，解決橋梁使用中存在的問題。

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Study on dynamic behavior of vehicle-bridge coupling in existing concrete injured girder bridges

Zhang Ping Zhang Xiaochen Jia Jie

(CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040，China)

In order to carry out the systematic analysis of most highway concrete bridges’ dynamic work performance under moving vehicular load with structural damages and their evolution, we put forward multi-scale analysis method and feasibility of vehicle-bridge coupling vibration with structural damages and analyze mechanism and influence law of bridges’ dynamic behavior in this case.

concrete girder bridges, structural damage, vehicle-bridge coupling

1009-6825(2016)13-0191-03

2016-02-27

張 萍(1995- )，女，在讀本科生； 張笑塵(1995- )，男，在讀本科生； 賈 杰(1980- )，男，博士，副教授

U441

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