空心板橋鉸縫損傷后的橫向影響研究

林志豪，李春良

吉林建筑大學 交通科學與工程學院,長春 130118

0 引言

在空心板橋中，鉸縫是橫向連接各板的主要部位，也最容易出現(xiàn)破壞,一旦鉸縫損傷，會引起橋梁其他部位受損，最終嚴重影響橋梁的橫向受力.現(xiàn)階段國內(nèi)外學者主要從三方面研究空心板橋損傷后的橫向受力變化：一是通過解析法來分析，基于鉸接板法，通過橋梁損傷后鉸縫處的位移、主梁的撓度、主梁剛度等要素之間的關(guān)系,建立空心板橋鉸縫損傷后的受力模型[1-3]；二是通過有限元軟件建立鉸縫損傷后的空心板橋模型，分析其橫向受力的變化[4-7]；三是通過荷載試驗,在試件上直接施加荷載觀察損傷過程中橫向力學的變化.本文利用ANSYS軟件建立鉸縫損傷前后的空心板模型，分析鉸縫損傷前后空心板橋橫向受力的變化.

1 空心板橋模型的建立

基于梁格法建立空心板橋有限元模型.選用BEAM 44單元模擬板.

1.1 鉸縫完好時的空心板橋模型

在空心板橋中，假設(shè)鉸縫只傳遞剪力不傳遞彎矩，且兩板間的相對位移為零，故可選用剛性鏈桿模擬鉸縫，通過放松剛性鏈桿J節(jié)點的轉(zhuǎn)動使其只傳遞剪力不傳遞彎矩，并使得兩板間不產(chǎn)生相對位移，如圖1所示.建立橋梁整體模型，如圖2所示.

圖1 完好鉸縫單元(剛性鏈桿單元)

圖2 橋梁整體有限元模型

1.2 鉸縫損傷后的空心板橋模型

鉸縫損傷后，受損鉸縫兩側(cè)板在荷載作用下會產(chǎn)生相對位移，此時將模型中受損位置的剛性鏈桿替換為COMBIN 14單元，通過設(shè)置豎向彈簧剛度使兩板間產(chǎn)生相對位移，模擬鉸縫損傷后的實際狀態(tài)，如圖3所示.

圖3 損傷鉸縫單元(彈簧單元)

在此模型中，選取合適的彈簧剛度是準確模擬在不同鉸縫損傷程度下兩板間產(chǎn)生相對位移的關(guān)鍵.由于實際工程中鉸縫的受力機理較為復雜，故本文采用試算方法得到鉸縫損傷后兩板間相對位移與彈簧剛度之間的關(guān)系.現(xiàn)定義x為鉸縫損傷率，由兩板間相對位移Δ與“單板受力”梁的最大撓度ω確定，即x=Δ/ω，且規(guī)定鉸縫損傷后，該鉸縫全長范圍的損傷程度一致.

利用已建立的鉸縫損傷后的空心板橋模型計算不同相對位移對應(yīng)的彈簧剛度，再通過Matlab進行函數(shù)擬合，得到彈簧剛度與鉸縫損傷率的關(guān)系，結(jié)果滿足函數(shù)：

f(x)=2.3×107×e-11.39 x+9.05×106×e-1.6 x

其中，f(x)為彈簧剛度值，N/m；x為鉸縫的損傷率.

2 計算結(jié)果分析

2.1 算例

圖4為跨徑l=12 m的鉸接空心板橋，由9塊混凝土空心板組成.利用ANSYS建立橋梁完好時的有限元模型，得到5號板的橫向影響線，并與鉸接板理論計算結(jié)果對比，如圖4所示.

圖4 空心板橋橫截面(單位：cm)

圖5為鉸縫完好時，ANSYS計算與鉸接板理論計算的5號板橫向影響線.觀察發(fā)現(xiàn)，兩者計算結(jié)果相互吻合.可見,利用ANSYS建立的模型能夠模擬空心板橋的實際受力狀態(tài)與理論結(jié)果一致，可用于后續(xù)問題的研究與討論.

圖5 鉸縫完好時5號板橫向影響線

2.2 規(guī)律分析

2.2.1 鉸縫損傷對橋梁橫向受力的影響

為研究鉸縫損傷后空心板橋橫向受力的變化，現(xiàn)假定3號鉸縫損傷20 %，利用ANASYS計算3號板橫向影響線，如圖6所示.

圖6為橋梁未損傷時3號板橫向影響線與3號鉸縫損傷20 % 時3號板的橫向影響線的對比圖.觀察發(fā)現(xiàn)，鉸縫損傷后，當荷載作用于損傷鉸縫左側(cè)時，3號板分配到的荷載增大；當荷載作用于損傷鉸縫右側(cè)時，3號板分配到的荷載減小.這主要是因為受損鉸縫影響了橋梁橫向傳遞荷載的能力，使得荷載無法通過受損鉸縫向左或右進行有效傳遞，影響板最終分配到的荷載.

圖6 3號鉸縫損傷前后3號板橫向影響線

2.2.2 鉸縫損傷程度對橋梁橫向受力的影響

假定3號鉸縫損傷分別20 %,40 %，利用有限元模型得到3號板橫向影響線如圖7所示.

圖7為3號鉸縫分別損傷分別20 %,40 % 后的3號板橫向影響線.觀察發(fā)現(xiàn)，當荷載作用于損傷鉸縫左側(cè)時，鉸縫損傷40 % 時3號板分配到的荷載大于鉸縫損傷20 % 時3號板分配到的荷載；當荷載作用于損傷鉸縫右側(cè)時，鉸縫損傷40 % 時3號板分配到的荷載小于鉸縫損傷20 % 時3號板分配到的荷載.這表明鉸縫損傷程度越大，對橋梁橫向傳遞荷載能力的影響越大.

圖7 3號鉸縫不同損傷程度下3號板橫向影響線

2.2.3 鉸縫損傷對不同位置板橫向受力的影響

圖8為橋梁未損傷時2號、8號板橫向影響線與3號鉸縫損傷40 % 時2號、8號板橫向影響線對比圖.觀察發(fā)現(xiàn)，鉸縫損傷后各板分配到的荷載發(fā)生變化，出現(xiàn)了荷載作用于受損鉸縫左側(cè)時，左側(cè)板分配到的荷載增大；荷載作用于受損鉸縫右側(cè)時,右側(cè)板分配到的荷載增大的規(guī)律.這主要是因為受損鉸縫影響了荷載橫向傳遞的效果，且距離受損鉸縫越近的板，受到影響越大.對比鉸縫損傷后2號板與8號板分配到的荷載可發(fā)現(xiàn)，2號板相較于未損傷時，其受力狀況更加不利，這是因為在鉸縫左側(cè)能有效傳遞荷載的板較少，可見因受損鉸縫的影響，完好連接較少的部位的受力狀態(tài)更加不利.

圖8 3號鉸縫損傷前后2號、8號板橫向影響線

3 結(jié)論

(1)利用ANSYS有限元軟件可以模擬空心板橋在鉸縫損傷后的受力狀態(tài).

(2)損傷鉸縫會減弱橋梁橫向傳遞荷載的性能，導致各板分配到的最大荷載增加，且損傷程度越大，這種現(xiàn)象越明顯；另外鉸縫損傷后，距離損傷鉸縫越近、相互完好連接越少的板，其受力狀態(tài)越不利.