吊桿損傷對系桿拱橋自振特性的影響

何文正，呂延暉

（1.重慶廣播電視大學(xué)，重慶 401520；2.重慶黔江區(qū)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)委員會，重慶 409000）

0 引言

系桿拱橋是由系桿承擔(dān)主拱水平推力的橋型，由于其外形美觀、跨越能力大、對地基要求不高，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代橋梁建設(shè)中（見圖1和圖2），特別在江南地區(qū)，由于河網(wǎng)密集、有航道要求、部分橋址地質(zhì)情況較差，系桿拱橋在此類地區(qū)有廣泛的應(yīng)用。但是伴隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，交通量有大幅提升，加之服務(wù)年限的延長及施工缺陷等原因，相當(dāng)數(shù)量的系桿拱橋出現(xiàn)了構(gòu)件老化開裂、吊桿損傷等病害，這些病害嚴(yán)重影響了橋梁的安全性和耐久性，嚴(yán)重者甚至導(dǎo)致橋梁的整體垮塌。根據(jù)目前的統(tǒng)計，系桿拱橋的垮塌基本上都是由于吊桿的斷裂所致，因此，吊桿病害的識別對保證此類橋梁的安全及其重要，如能采用簡便有效的方法及時準(zhǔn)確識別吊桿損傷位置和程度，就可以及時對其更換或維護(hù)，這樣不但可以避免嚴(yán)重事故的發(fā)生，還可以節(jié)省大量維修加固費用。通過動力特性變化對系桿拱橋進(jìn)行損傷檢測識別是一個新穎的課題，具有重要的理論意義和良好的應(yīng)用前景。

圖1 涌溫鐵路雁蕩山特大橋

圖2 哈大客運專線新開河特大橋

目前，系桿拱橋的動力響應(yīng)問題研究已經(jīng)取得一系列的成果。施洲等[1]采用脈動法測試了某拱橋的自振特性，獲得了各工況下橋跨結(jié)構(gòu)的撓度時程響應(yīng)。歐耀文等[2]進(jìn)行了某大跨度鋼管混凝土系桿拱橋靜動載試驗，評價了橋梁工作狀態(tài)。吳慶雄等[3]開展了系桿拱橋車致振動響應(yīng)測試，重點分析了拱肋和橋面的加速度、速度動力響應(yīng)和沖擊系數(shù)。陳寶春等[4]分析了撓度限值對鋼管混凝土拱橋振動的控制作用。Morcou 等[5]通過有限元分析研究了吊桿/拱肋連接處以及拱肋面外穩(wěn)定性。張燕青[6]發(fā)現(xiàn)吊桿力分布將直接影響到系桿拱橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的均勻性。Ju 等[7]建立了車橋耦合振動有限元分析模型，研究了系桿拱橋的共振頻率。施穎等[8]采用有限單元法研究了人群荷載下系桿拱橋消能減振裝置對振動的控制效果。徐岳震[9]通過對比成橋前后吊桿力變化，發(fā)現(xiàn)吊桿力受活載影響較大。

本文主要目的在于完成基于振動測試的現(xiàn)役剛性系桿拱橋損傷檢測技術(shù)研究的部分先導(dǎo)工作，基于數(shù)值分析手段，分析剛性系桿拱橋的吊桿遭受損傷后的動力學(xué)特征參數(shù)變化，為下一步工作提供數(shù)據(jù)。

1 數(shù)值模擬

本次模擬分析以浙江湖州某剛性系桿拱橋為工程背景，該橋為下承式預(yù)應(yīng)力混凝土系桿拱橋，跨徑76.6m，計算矢高15.32m，拱軸線為拋物線，拱肋截面為圓形截面，截面外徑800mm，橫向兩條拱肋。系梁為120×60cm 矩形斷面預(yù)應(yīng)力混凝土系梁，吊桿為柔性平行鋼絲束。

由于吊桿對系桿拱橋整體安全性極為重要，為了分析吊桿結(jié)構(gòu)損傷對動力特性的影響，本文以吊桿為研究對象，考慮不同的損傷工況，用ANSYS 建立了有限元分析模型，通過吊桿剛度折減模擬鋼絲斷裂或桿件應(yīng)力損失，損傷工況如下。

（1）跨中附近吊桿損傷

工況1：無損傷；

工況2：跨中附近吊桿損傷40%；

工況3：跨中附近吊桿斷裂。

（2）端部吊桿損傷

工況1：無損傷；

工況2：端吊桿損傷40%；

工況3：端吊桿斷裂。

2 分析結(jié)果

整理計算結(jié)果，損傷導(dǎo)致的自振頻率變化見表1，各工況下拱肋的曲率模態(tài)差曲線見圖3和圖4所示。

表1 自振頻率變化

從計算結(jié)果可以看出，吊桿發(fā)生損傷后，各階自振頻率有一定的下降，但不明顯，頻率指標(biāo)對吊桿損傷不敏感。但是從圖3和圖4可知，曲率模態(tài)差曲線能較好地顯示損傷的位置，且能夠?qū)p傷程度進(jìn)行定性判斷，曲率模態(tài)差指標(biāo)對吊桿損傷較為敏感。

圖3 跨中吊桿損傷曲率模態(tài)差

圖4 端吊桿損傷曲率模態(tài)差

3 結(jié)論

為了揭示剛性系桿拱橋吊桿損傷后的動力特性變化，本文采用有限元法對湖州某混凝土剛性系桿拱橋動力特性進(jìn)行分析，分析了四種吊桿損傷工況下橋梁動力特性變化，得到如下結(jié)論：

（1）吊桿損傷會導(dǎo)致系桿拱橋自振頻率的下降，損傷程度越大則下降幅度越大，但是總體上頻率對吊桿損傷不敏感；

（2）曲率模態(tài)差曲線能較好地顯示損傷的位置，且能夠?qū)p傷程度進(jìn)行定性判斷。