装配式桥面铰缝损伤瞬态动力学响应分析

装配式桥面铰缝损伤瞬态动力学响应分析

安装式空心大桥是应用最广泛、最数量的大桥，需要20.25米以下的小直径桥。该结构类型桥梁利用铰缝传递剪力,使横向各片板梁之间形成整体联合承受使用荷载。装配式板梁多采用现浇混凝土纵向企口缝连接形成铰缝,其横向连接构造相对比较薄弱,整体性较差。随着我国经济的快速发展和运输市场的激烈竞争,超载车辆急剧增加,对装配式板桥造成很大的损伤,甚至破坏。铰缝混凝土开裂或脱落造成梁板之间横向联系破坏,甚至导致单板承受车轮荷载作用是其中一种非常常见的破坏形式。所以关于空心板梁桥的单板受力分析和加固措施的研究一直是桥梁工程养护技术中的热点问题,而对于铰缝破损的损伤识别和检测技术的研究相对较少。铰缝是一种比较特殊的构造形式,从外观检测上很难直接发现其损伤位置和程度。其中最常用的评定方式是静载试验,通过静载试验测定各板梁的静态应变和静位移,分析其横向分布系数相对于理论计算值的变化情况。基于振动测试的结构损伤识别方法研究是目前大型结构损伤识别研究的主要方向。动载试验利用动荷载作用下结构的动力响应进行分析和判别。笔者力求研究一种利用瞬态动力学进行铰缝损伤识别的方法,以期快速准确判断铰缝损伤位置和损伤状况。1空心板梁铰缝的动力响应铰接板梁把相邻板(梁)之间的连接视为铰接,只传递竖向剪力而不传递弯矩,结构的受力状态实际接近于数根并列而相互间横向铰接的狭长板(梁),板梁之间的铰仅传递竖向剪力,而略去横向弯矩、纵向剪力和法向力。由于铰接板梁通过铰缝传递剪力,从而使结构能够联合受力。所以,一旦铰缝出现损伤,其横向传递剪力的能力减弱,损伤铰缝两侧之间传递力的效果就会降低。装配式空心板梁上某块板梁受到冲击荷载或其他动荷载的作用,由于铰缝的传递,所有板梁均会产生动力响应。一座由n块板梁利用铰缝联结成整体的装配式空心板梁桥,将每片板梁简化为跨中为集中质量的单自由度体系,质量mi。各梁跨中动位移yi组成动位移矩阵,空心板梁的动力学方程为:My¨+Ky=F(1)Μy¨+Κy=F(1)式中:K为刚度矩阵,非对角线元素kij(i≠j)表示各板梁之间铰缝传递的刚度系数,即i号板梁跨中产生单位竖向位移需在j号板梁跨中作用的荷载;M为质量矩阵;y为位移矩阵;y¨y¨为加速度矩阵;F为荷载矩阵。假设第i号板梁和第i+1号板梁之间的铰缝破坏,即第i号板梁和第i+1号板梁之间已经无法传递荷载,则刚度矩阵K中的非对角线元素就会全部产生变化,尤其是:kmn=0(m≥i+1且n≤i,或,m≥i+1且n≤i)由此可见,铰缝对各板跨中动位移y和动加速度y¨y¨的影响很大。所以,利用动力响应的变化是可以进行板梁铰缝的损伤识别的。为了研究利用动力响应识别铰缝损伤的方法和指标,以下利用综合有限元程序进行铰接空心板梁的瞬态动力学试验的数值模拟。2安装式桥的瞬态动态模拟2.1空心板梁铰缝损伤模型一座计算跨径为12.6m,由9块空心板组成的简支铰接空心板梁,横断面尺寸如图1,利用有限元计算其各种铰缝损伤程度下的动力响应。采用梁格法建立计算模型,根据铰接板梁横向分布计算理论确定横梁的刚度,通过耦合虚拟横梁单元位移约束模拟铰接。弹性模量E=3.0×1010N/m2;泊松比v=0.2;密度ρ=2500kg/m3。全桥纵向划分成20个单元,横向沿各片梁中心线和铰接缝划分成16个单元,虚拟横梁起横向将各片纵梁连接为整体并形成铰缝的作用,计算模型如图2。装配式空心板梁桥中,越接近跨中的铰缝作用越大,同时也越容易破坏。所以,笔者在铰缝损伤模拟中主要通过解除跨中附近的位移耦合模拟,如表1中所列的4种损伤状态。为了比较并研究装配式板梁铰缝损伤后动力响应的变化,模型进行了表1中所列的计算。通过在很短的时间dt内施加一个竖向荷载来模拟理想的冲击荷载,对于每种损伤状态的模型,分别在1号板、5号板和9号板梁跨中施加此冲击荷载(表1)。此冲击荷载方程为:F(t)=⎧⎩⎨⎪⎪00<t<0.01s106N0.01s≤t<0.03s00.03s≤t<2s(2)F(t)={00<t<0.01s106Ν0.01s≤t<0.03s00.03s≤t<2s(2)式中:t为时间,s。2.2计算2.2.1各板梁加速度分析以动荷载作用下各板梁跨中加速度幅值为研究对象,令第i块板跨中加速度幅值为ai,各板跨中加速度幅值最大值为amax。首先以各板梁跨中加速度幅值ai与最大跨中加速度幅值amax之比即ai/amax为分析指标。图3～图5分别列出了各计算模型中各板梁跨中截面瞬态竖向加速度的幅值比ai/amax。由图3～图5可见,当铰缝整体破坏时,非加载侧加速度值为0,即不产生影响,所以破坏的铰缝两侧加速度值变化较大。但是对于铰缝局部损伤的情况,只有当加载点在损伤铰缝旁边(图4)时才显示得比较明显。2.2.2ai/amx动荷载加载为了更好地反映竖向加速度对铰缝损伤的识别作用,下面以2个加载工况下加速度幅值比之差dmni为研究指标,即:dmni=(ai/amax)m-(ai/amax)n(3)式中:m、n为2次加载的板梁号;i为加速度测试的各板梁号。图6所示为d41i,即动荷载加载位置在第4号板梁的工况下的ai/amax减去动荷载加载位置在第1号板梁的工况下的ai/amax所得到的差值,图7和图8分别为d49i和d19i,含义以此类推。由图7～图9明显可见,在损伤铰缝两侧的板梁dmni变化幅度较大。尽管跨中只有1.2m铰缝失效,也能比较明显地反映出来,损伤识别效果比较明显。3加速度法的优点上述数值模拟计算结果表明:利用冲击荷载作为激励,多次改变加载位置,测试各板梁跨中截面在动荷载作用下的加速度并分析数据得到dmni,理论上可以有效识别铰缝损伤。这种损伤识别方法具备以下优点和可操作性:1)利用冲击荷载作为激励,可将静态车辆的一个车轮置三角垫块上,作微小移动使其滑落形成冲击,也可以用静止的滚筒压路机的滚筒达到冲击激振的目的。2)因采用相对加速度值ai/amax进行比较分析,所以各工况激励荷载的差别影响得以消除。