空心板梁橋鉸縫損傷后動力特性數(shù)值模擬

王成煒 何文正

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

0 引言

梁板之間的鉸縫是直接關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算結果的必要前提?；炷零q縫完全開裂或脫落將導致梁板橫向連接失效，致使橋梁出現(xiàn)“受力單板”現(xiàn)象。橋梁單板受力使橋梁梁板失去橫向連接，車輛的作用不能在整個橋梁中按“橫向分布計算”結果分配，而是直接作用于某片梁上。因此過大的荷載導致梁體的混凝土和鋼筋提前進入疲勞階段[1]，受力裂縫先出現(xiàn)在橋梁下部的兩側，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?，上部混凝土破碎和梁板失去承載功能，甚至出現(xiàn)斷裂[2]。因此在整個空心板橋梁中，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為例，采用有限元分析手段，對鉸縫損傷后的動力特性進行了模擬分析。

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)，橋梁的設計參數(shù)如下：空心板橋跨徑12.6m，全橋由9 塊預應力混凝土空心板組成，混凝土標號為C40，具體尺寸見圖1、圖2。

圖1 簡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

該橋為鉸接板橋，板與板之間依靠鉸縫進行聯(lián)系，鉸縫只傳遞剪力不傳遞彎矩。故建模時必須把板與板之間的轉動約束釋放?？招陌宀捎昧簡卧M，鉸縫用Beam44 單元模擬，Beam44 單元通過設置Keyopt 值的屬性可將J 節(jié)點轉動全部釋放，模型見圖3。

本文結合有限元模型更新技術實現(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，可通過鉸縫單元剛度的降低來實現(xiàn)。鉸縫無損傷時，1 號梁作用一個單位荷載時，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 計算結果

采用ANSYS 動力計算模塊，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 結果可見，鉸縫損傷對結構縱向豎彎振型的振動頻率沒有影響，而對橫向豎向彎曲振型影響較大，其振動頻率明顯降低，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，鉸縫損傷達到50%以后，第五階振型由縱向反對稱豎彎變成了橫向正對稱彎曲。

表1 自振頻率比較

4 結論

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

（1）鉸縫的損傷明顯導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行鉸縫損傷的識別。