橋梁板損傷對(duì)簡支T 梁橋一階固有頻率的影響分析

陶亮 吳昌霞

摘要：作為梁格體系簡支T梁橋，橋面板的損傷破損必然會(huì)帶來橋梁整體剛度的改變，進(jìn)而影響橋梁的固有動(dòng)力特性。文章利用有限元分析方法，分析了T梁翼板破損前后的橋梁一階固有頻率的變化，得出了T梁翼板破損對(duì)簡支T梁橋固有頻率的影響規(guī)律，并以實(shí)際工程中的多跨簡支梁的固有頻率測試為例，分別測試了橋面板無損傷跨和有損傷跨的一階固有頻率，分析橋面板損傷對(duì)一階固有頻率的影響。結(jié)果表明，單根T梁在跨中位置翼板全部破損的情況下，一階固有頻率較完好情況下降低15.63%。因此，在工程中利用簡支T梁橋固有頻率的變化，可以初步判斷橋梁存在損傷的情況。

關(guān)鍵詞：簡支T梁;翼板破損;固有頻率;動(dòng)力測試

0 引言

隨著橋梁實(shí)際運(yùn)營時(shí)間的增長，橋梁的使用性能會(huì)逐漸衰減，出現(xiàn)不同程度的病害情況[1]。特別是在國內(nèi)國道上，存在大概率的重車通行情況，會(huì)加快橋梁性能的衰減，極易產(chǎn)生破損等病害[2]。

鋼筋混凝土簡支T梁這種橋梁結(jié)構(gòu)，在20世紀(jì)90年代左右的橋梁建設(shè)中大量采用。這種橋型主要特點(diǎn)是采用梁格體系，由多片T梁裝配形成。裝配過程中T梁間采用翼板濕接的方式進(jìn)行連接，起到橋面板承載的作用。在重車的往復(fù)作用下，T梁翼板也是最容易發(fā)生損傷的位置，特別是靠近路面中線跨中的位置。這類損傷必然會(huì)引起橋梁動(dòng)、靜力特性的變化[3-4]。如何利用動(dòng)力特性的變化來識(shí)別這類損傷，是近年國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)[5]。有文獻(xiàn)表明，橋梁的損傷會(huì)造成橋梁固有的動(dòng)力特性的改變，如固有頻率、振型等[6]。因此，研究橋梁的損傷對(duì)動(dòng)力特性變化的影響程度，對(duì)利用實(shí)測動(dòng)力特性識(shí)別橋梁的損傷具有重要意義。

本文以鋼筋混凝土簡支T梁橋?yàn)閷?duì)象，研究分析T梁翼板損傷（即橋面板破損）對(duì)橋梁固有頻率的影響，利用有限元方法，分別建立橋面板損傷與完好狀態(tài)的計(jì)算模型，對(duì)比分析理論計(jì)算得出的固有頻率變化，同時(shí)通過一座實(shí)際的多跨簡支梁橋，對(duì)比測試完好跨與橋面板破損跨的實(shí)測固有頻率，最終通過理論與實(shí)測兩種方式來分析橋梁板損傷對(duì)簡支T梁橋1階固有頻率的影響，以此為在工程中利用簡支T梁橋固有頻率變化識(shí)別橋梁損傷情況的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 簡支梁的1階固有頻率理論計(jì)算方法

簡支梁橋可根據(jù)力學(xué)簡化為如圖1所示的動(dòng)力分析圖。

由式（2）可以看出，在橋梁跨徑不變的情況下，簡支梁截面的抗彎剛度EI的變化，必然會(huì)帶來固有圓頻率ωn的變化。

對(duì)于T梁橋，T形截面翼板的破損，會(huì)導(dǎo)致截面慣性矩I的減小，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致截面的抗彎剛度EI減小。因此，根據(jù)式（2），T梁的固有頻率會(huì)因T形截面翼板的破損而減小。

2 翼板破損對(duì)1階固有頻率影響的有限元分析

2.1 有限元模型的建立

以一跨22m跨徑的簡支T梁橋?yàn)槔⒂邢拊Ｐ?，分析橋面板損傷對(duì)1階固有頻率的影響。整跨橫向由7片T梁組成，中梁和邊梁寬度相同，T梁間采用鋼板焊接連接。每片T梁腹板底寬為0.36m，腹板高為1.30m，翼緣板一側(cè)懸挑段寬為0.70m（T梁截面尺寸見圖2）。梁體混凝土材料為C40混凝土。采用梁格法建立橋梁的有限元模型，分別模擬完好狀態(tài)以及跨中兩橫隔板間、3#與4#T間橋面板全部破損兩種情況。有限元模型如圖3所示。

2.2 損傷前后固有頻率的計(jì)算結(jié)果及對(duì)比

由有限元計(jì)算，得出簡支梁的1階固有模態(tài)如圖4所示。由此得到損傷前后固有頻率的計(jì)算結(jié)果，如表1所示。

從有限元分析結(jié)果對(duì)比表中可以看出，本次模擬的橋面板破損程度下，1階固有頻率較未損傷情況下有明顯的降低，降低比例達(dá)到15%。

3 翼板破損對(duì)1階固有頻率影響的實(shí)橋測試

3.1 橋梁概況

某大橋位于廣西三江縣境內(nèi)三江至從江二級(jí)公路國道321線上，建成于1990年。橋梁全長330.94m，橋面總寬12.50m，上部結(jié)構(gòu)橋孔布置為8.50m（現(xiàn)澆鋼筋混凝土板梁）+14×22.20m（預(yù)制鋼筋混凝土簡支T形梁）+8.50m（現(xiàn)澆鋼筋混凝土板梁），T梁支座采用板式橡膠支座。該橋中有14跨為跨徑22.2m的鋼筋混凝土簡支T梁。橋梁橫斷面圖如圖5所示。

3.2 橋梁的破損情況

由于此橋建成時(shí)間較長，使用性能已發(fā)生衰變，同時(shí)國道上重車交通量大，造成多跨T梁的橋面板（翼板）出現(xiàn)不同程度破碎。其中6#跨T梁翼板受損最為嚴(yán)重，在跨中處兩道橫隔板、兩片T梁之間的翼板全部破碎。而該橋梁14#跨及15#則為完好跨，未出現(xiàn)損傷。

3.3 1階固有頻率的測試及對(duì)比分析

根據(jù)前述的分析，6#跨T梁翼板受損后，其固有頻率會(huì)產(chǎn)生下降，相比于完好狀態(tài)的14#跨及15#跨，固有頻率會(huì)明顯變小。為此，采用脈動(dòng)試驗(yàn)法對(duì)損傷跨和未損傷跨的固有頻率進(jìn)行測試識(shí)別。利用東華測試的DH610V加速度拾振器，采集到6#跨、14#跨及15#跨跨中處的振動(dòng)加速度時(shí)程曲線。典型加速度時(shí)程曲線如圖6所示。

利用加速度時(shí)程曲線，進(jìn)行頻譜分析，得到6#跨、14#跨及15#跨的振動(dòng)頻譜圖，分別如圖7、圖8所示。進(jìn)而識(shí)別出各跨的1階固有頻率，對(duì)比如表2所示。

從表2可以看出，橋面板破損嚴(yán)重的6#跨的1階固有頻率較完好的14#跨、15#跨的1階固有頻率有明顯的降低，降低百分比達(dá)到15.63%，與表1中理論計(jì)算結(jié)果相吻合。因此，在工程中，簡支T梁橋固有頻率的變化，可以反映出橋梁的損傷情況。

4 結(jié)語

本文利用有限元分析方法，分析了橋面板破損前后的簡支T梁橋1階固有頻率的變化，得出了T梁翼板破損對(duì)簡支T梁橋固有頻率的影響規(guī)律。利用實(shí)際工程對(duì)比測試的方法，實(shí)際測試了同等跨徑和截面情況下，T梁翼板破損橋跨和完好橋跨的1階固有頻率，并對(duì)比分析了實(shí)際橋面板損傷對(duì)1階固有頻率的影響。最終得出如下結(jié)論：

（1）對(duì)于T梁橋，T形截面翼板的破損，會(huì)導(dǎo)致截面慣性矩的減小，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致截面的抗彎剛度減小，引起T梁固有頻率的明顯降低。

（2）在跨中處兩道橫隔板、兩片T梁之間的翼板全部破碎的情況下，簡支T梁橋1階固有頻率有明顯的降低，對(duì)比測試結(jié)果表明，降低百分比達(dá)到15.63%。

（3）簡支T梁橋固有頻率的變化，可以反映出橋梁的損傷情況。

參考文獻(xiàn)：

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