裝配式橋面鉸縫損傷瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析

裝配式橋面鉸縫損傷瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析

安裝式空心大橋是應(yīng)用最廣泛、最數(shù)量的大橋，需要20.25米以下的小直徑橋。該結(jié)構(gòu)類型橋梁利用鉸縫傳遞剪力,使橫向各片板梁之間形成整體聯(lián)合承受使用荷載。裝配式板梁多采用現(xiàn)澆混凝土縱向企口縫連接形成鉸縫,其橫向連接構(gòu)造相對(duì)比較薄弱,整體性較差。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和運(yùn)輸市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng),超載車輛急劇增加,對(duì)裝配式板橋造成很大的損傷,甚至破壞。鉸縫混凝土開裂或脫落造成梁板之間橫向聯(lián)系破壞,甚至導(dǎo)致單板承受車輪荷載作用是其中一種非常常見的破壞形式。所以關(guān)于空心板梁橋的單板受力分析和加固措施的研究一直是橋梁工程養(yǎng)護(hù)技術(shù)中的熱點(diǎn)問題,而對(duì)于鉸縫破損的損傷識(shí)別和檢測(cè)技術(shù)的研究相對(duì)較少。鉸縫是一種比較特殊的構(gòu)造形式,從外觀檢測(cè)上很難直接發(fā)現(xiàn)其損傷位置和程度。其中最常用的評(píng)定方式是靜載試驗(yàn),通過靜載試驗(yàn)測(cè)定各板梁的靜態(tài)應(yīng)變和靜位移,分析其橫向分布系數(shù)相對(duì)于理論計(jì)算值的變化情況?；谡駝?dòng)測(cè)試的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法研究是目前大型結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別研究的主要方向。動(dòng)載試驗(yàn)利用動(dòng)荷載作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析和判別。筆者力求研究一種利用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行鉸縫損傷識(shí)別的方法,以期快速準(zhǔn)確判斷鉸縫損傷位置和損傷狀況。1空心板梁鉸縫的動(dòng)力響應(yīng)鉸接板梁把相鄰板(梁)之間的連接視為鉸接,只傳遞豎向剪力而不傳遞彎矩,結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)實(shí)際接近于數(shù)根并列而相互間橫向鉸接的狹長(zhǎng)板(梁),板梁之間的鉸僅傳遞豎向剪力,而略去橫向彎矩、縱向剪力和法向力。由于鉸接板梁通過鉸縫傳遞剪力,從而使結(jié)構(gòu)能夠聯(lián)合受力。所以,一旦鉸縫出現(xiàn)損傷,其橫向傳遞剪力的能力減弱,損傷鉸縫兩側(cè)之間傳遞力的效果就會(huì)降低。裝配式空心板梁上某塊板梁受到?jīng)_擊荷載或其他動(dòng)荷載的作用,由于鉸縫的傳遞,所有板梁均會(huì)產(chǎn)生動(dòng)力響應(yīng)。一座由n塊板梁利用鉸縫聯(lián)結(jié)成整體的裝配式空心板梁橋,將每片板梁簡(jiǎn)化為跨中為集中質(zhì)量的單自由度體系,質(zhì)量mi。各梁跨中動(dòng)位移yi組成動(dòng)位移矩陣,空心板梁的動(dòng)力學(xué)方程為:My¨+Ky=F(1)Μy¨+Κy=F(1)式中:K為剛度矩陣,非對(duì)角線元素kij(i≠j)表示各板梁之間鉸縫傳遞的剛度系數(shù),即i號(hào)板梁跨中產(chǎn)生單位豎向位移需在j號(hào)板梁跨中作用的荷載;M為質(zhì)量矩陣;y為位移矩陣;y¨y¨為加速度矩陣;F為荷載矩陣。假設(shè)第i號(hào)板梁和第i+1號(hào)板梁之間的鉸縫破壞,即第i號(hào)板梁和第i+1號(hào)板梁之間已經(jīng)無(wú)法傳遞荷載,則剛度矩陣K中的非對(duì)角線元素就會(huì)全部產(chǎn)生變化,尤其是:kmn=0(m≥i+1且n≤i,或,m≥i+1且n≤i)由此可見,鉸縫對(duì)各板跨中動(dòng)位移y和動(dòng)加速度y¨y¨的影響很大。所以,利用動(dòng)力響應(yīng)的變化是可以進(jìn)行板梁鉸縫的損傷識(shí)別的。為了研究利用動(dòng)力響應(yīng)識(shí)別鉸縫損傷的方法和指標(biāo),以下利用綜合有限元程序進(jìn)行鉸接空心板梁的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)的數(shù)值模擬。2安裝式橋的瞬態(tài)動(dòng)態(tài)模擬2.1空心板梁鉸縫損傷模型一座計(jì)算跨徑為12.6m,由9塊空心板組成的簡(jiǎn)支鉸接空心板梁,橫斷面尺寸如圖1,利用有限元計(jì)算其各種鉸縫損傷程度下的動(dòng)力響應(yīng)。采用梁格法建立計(jì)算模型,根據(jù)鉸接板梁橫向分布計(jì)算理論確定橫梁的剛度,通過耦合虛擬橫梁?jiǎn)卧灰萍s束模擬鉸接。彈性模量E=3.0×1010N/m2;泊松比v=0.2;密度ρ=2500kg/m3。全橋縱向劃分成20個(gè)單元,橫向沿各片梁中心線和鉸接縫劃分成16個(gè)單元,虛擬橫梁起橫向?qū)⒏髌v梁連接為整體并形成鉸縫的作用,計(jì)算模型如圖2。裝配式空心板梁橋中,越接近跨中的鉸縫作用越大,同時(shí)也越容易破壞。所以,筆者在鉸縫損傷模擬中主要通過解除跨中附近的位移耦合模擬,如表1中所列的4種損傷狀態(tài)。為了比較并研究裝配式板梁鉸縫損傷后動(dòng)力響應(yīng)的變化,模型進(jìn)行了表1中所列的計(jì)算。通過在很短的時(shí)間dt內(nèi)施加一個(gè)豎向荷載來(lái)模擬理想的沖擊荷載,對(duì)于每種損傷狀態(tài)的模型,分別在1號(hào)板、5號(hào)板和9號(hào)板梁跨中施加此沖擊荷載(表1)。此沖擊荷載方程為: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為時(shí)間,s。2.2計(jì)算2.2.1各板梁加速度分析以動(dòng)荷載作用下各板梁跨中加速度幅值為研究對(duì)象,令第i塊板跨中加速度幅值為ai,各板跨中加速度幅值最大值為amax。首先以各板梁跨中加速度幅值ai與最大跨中加速度幅值amax之比即ai/amax為分析指標(biāo)。圖3～圖5分別列出了各計(jì)算模型中各板梁跨中截面瞬態(tài)豎向加速度的幅值比ai/amax。由圖3～圖5可見,當(dāng)鉸縫整體破壞時(shí),非加載側(cè)加速度值為0,即不產(chǎn)生影響,所以破壞的鉸縫兩側(cè)加速度值變化較大。但是對(duì)于鉸縫局部損傷的情況,只有當(dāng)加載點(diǎn)在損傷鉸縫旁邊(圖4)時(shí)才顯示得比較明顯。2.2.2ai/amx動(dòng)荷載加載為了更好地反映豎向加速度對(duì)鉸縫損傷的識(shí)別作用,下面以2個(gè)加載工況下加速度幅值比之差dmni為研究指標(biāo),即:dmni=(ai/amax)m-(ai/amax)n(3)式中:m、n為2次加載的板梁號(hào);i為加速度測(cè)試的各板梁號(hào)。圖6所示為d41i,即動(dòng)荷載加載位置在第4號(hào)板梁的工況下的ai/amax減去動(dòng)荷載加載位置在第1號(hào)板梁的工況下的ai/amax所得到的差值,圖7和圖8分別為d49i和d19i,含義以此類推。由圖7～圖9明顯可見,在損傷鉸縫兩側(cè)的板梁dmni變化幅度較大。盡管跨中只有1.2m鉸縫失效,也能比較明顯地反映出來(lái),損傷識(shí)別效果比較明顯。3加速度法的優(yōu)點(diǎn)上述數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明:利用沖擊荷載作為激勵(lì),多次改變加載位置,測(cè)試各板梁跨中截面在動(dòng)荷載作用下的加速度并分析數(shù)據(jù)得到dmni,理論上可以有效識(shí)別鉸縫損傷。這種損傷識(shí)別方法具備以下優(yōu)點(diǎn)和可操作性:1)利用沖擊荷載作為激勵(lì),可將靜態(tài)車輛的一個(gè)車輪置三角墊塊上,作微小移動(dòng)使其滑落形成沖擊,也可以用靜止的滾筒壓路機(jī)的滾筒達(dá)到?jīng)_擊激振的目的。2)因采用相對(duì)加速度值ai/amax進(jìn)行比較分析,所以各工況激勵(lì)荷載的差別影響得以消除。