裝配式橋面鉸縫損傷瞬態(tài)動力學響應分析

裝配式橋面鉸縫損傷瞬態(tài)動力學響應分析

安裝式空心大橋是應用最廣泛、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)造相對比較薄弱,整體性較差。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和運輸市場的激烈競爭,超載車輛急劇增加,對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)護技術(shù)中的熱點問題,而對于鉸縫破損的損傷識別和檢測技術(shù)的研究相對較少。鉸縫是一種比較特殊的構(gòu)造形式,從外觀檢測上很難直接發(fā)現(xiàn)其損傷位置和程度。其中最常用的評定方式是靜載試驗,通過靜載試驗測定各板梁的靜態(tài)應變和靜位移,分析其橫向分布系數(shù)相對于理論計算值的變化情況。基于振動測試的結(jié)構(gòu)損傷識別方法研究是目前大型結(jié)構(gòu)損傷識別研究的主要方向。動載試驗利用動荷載作用下結(jié)構(gòu)的動力響應進行分析和判別。筆者力求研究一種利用瞬態(tài)動力學進行鉸縫損傷識別的方法,以期快速準確判斷鉸縫損傷位置和損傷狀況。1空心板梁鉸縫的動力響應鉸接板梁把相鄰板(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)實際接近于數(shù)根并列而相互間橫向鉸接的狹長板(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降低。裝配式空心板梁上某塊板梁受到?jīng)_擊荷載或其他動荷載的作用,由于鉸縫的傳遞,所有板梁均會產(chǎn)生動力響應。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。各梁跨中動位移yi組成動位移矩陣,空心板梁的動力學方程為:My¨+Ky=F(1)Μy¨+Κy=F(1)式中:K為剛度矩陣,非對角線元素kij(i≠j)表示各板梁之間鉸縫傳遞的剛度系數(shù),即i號板梁跨中產(chǎn)生單位豎向位移需在j號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。假設第i號板梁和第i+1號板梁之間的鉸縫破壞,即第i號板梁和第i+1號板梁之間已經(jīng)無法傳遞荷載,則剛度矩陣K中的非對角線元素就會全部產(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,鉸縫對各板跨中動位移y和動加速度y¨y¨的影響很大。所以,利用動力響應的變化是可以進行板梁鉸縫的損傷識別的。為了研究利用動力響應識別鉸縫損傷的方法和指標,以下利用綜合有限元程序進行鉸接空心板梁的瞬態(tài)動力學試驗的數(shù)值模擬。2安裝式橋的瞬態(tài)動態(tài)模擬2.1空心板梁鉸縫損傷模型一座計算跨徑為12.6m,由9塊空心板組成的簡支鉸接空心板梁,橫斷面尺寸如圖1,利用有限元計算其各種鉸縫損傷程度下的動力響應。采用梁格法建立計算模型,根據(jù)鉸接板梁橫向分布計算理論確定橫梁的剛度,通過耦合虛擬橫梁單元位移約束模擬鉸接。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個單元,橫向沿各片梁中心線和鉸接縫劃分成16個單元,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力響應的變化,模型進行了表1中所列的計算。通過在很短的時間dt內(nèi)施加一個豎向荷載來模擬理想的沖擊荷載,對于每種損傷狀態(tài)的模型,分別在1號板、5號板和9號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為時間,s。2.2計算2.2.1各板梁加速度分析以動荷載作用下各板梁跨中加速度幅值為研究對象,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。圖3～圖5分別列出了各計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,當鉸縫整體破壞時,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。但是對于鉸縫局部損傷的情況,只有當加載點在損傷鉸縫旁邊(圖4)時才顯示得比較明顯。2.2.2ai/amx動荷載加載為了更好地反映豎向加速度對鉸縫損傷的識別作用,下面以2個加載工況下加速度幅值比之差dmni為研究指標,即:dmni=(ai/amax)m-(ai/amax)n(3)式中:m、n為2次加載的板梁號;i為加速度測試的各板梁號。圖6所示為d41i,即動荷載加載位置在第4號板梁的工況下的ai/amax減去動荷載加載位置在第1號板梁的工況下的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,損傷識別效果比較明顯。3加速度法的優(yōu)點上述數(shù)值模擬計算結(jié)果表明:利用沖擊荷載作為激勵,多次改變加載位置,測試各板梁跨中截面在動荷載作用下的加速度并分析數(shù)據(jù)得到dmni,理論上可以有效識別鉸縫損傷。這種損傷識別方法具備以下優(yōu)點和可操作性:1)利用沖擊荷載作為激勵,可將靜態(tài)車輛的一個車輪置三角墊塊上,作微小移動使其滑落形成沖擊,也可以用靜止的滾筒壓路機的滾筒達到?jīng)_擊激振的目的。2)因采用相對加速度值ai/amax進行比較分析,所以各工況激勵荷載的差別影響得以消除。