基于簡支板橋頻率振型的支座脫空分析

李佳凝 陳華安 王俊博 胡焱銘

摘 要：通過ANSYS軟件對(duì)簡支板橋在不同支座脫空工況進(jìn)行模態(tài)模擬分析，得出頻率變化值隨支座脫空位置遠(yuǎn)離邊梁而減小;橋梁振型在支座脫空時(shí)，脫空支座周圍振型會(huì)發(fā)生突變，且越遠(yuǎn)離支座脫空處突變?cè)叫?當(dāng)脫空支座越遠(yuǎn)離邊梁，其振型突變值越小，本文的研究成果對(duì)同類型橋梁支座脫空判斷具有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：板橋;模型;支座;脫空;頻率振型

1 緒論

在對(duì)工程質(zhì)量進(jìn)行檢測時(shí)，經(jīng)常會(huì)有梁體支座脫空現(xiàn)象發(fā)生，該現(xiàn)象的產(chǎn)生促使橋梁原有的受力支點(diǎn)發(fā)生變化，增加局部承受的壓力[1]，再由于荷載的反復(fù)作用，導(dǎo)致梁板產(chǎn)生振動(dòng)，各梁間的荷載分配關(guān)系發(fā)生相應(yīng)改變，梁體偏離了設(shè)計(jì)受力情況，最后使橋梁的使用性能受到破壞[2]。

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀中一般用壓力傳感器法和刀片法檢測橋梁支座是否脫空。壓力傳感器法[3]是將傳感器與支座一起放置，通過傳感器的壓力變化來判斷支座是否脫空，但該法要求壓力傳感器應(yīng)在支座安裝時(shí)一并安裝，因此對(duì)于已建成的橋梁，壓力傳感器法并不適用。刀片法即在最不利荷載作用下，用刀片探入支座與橋梁之間，若通過則表示支座已經(jīng)脫空。由于支座和橋梁均為表面粗糙的物體，若刀片能探入，則表明橋梁與支座之間的縫隙已經(jīng)很大;然而即使不能探入，也不能說明支座沒有脫空，所以刀片法的誤差是不能忽略的。本文首先建立簡支板橋的有限元模型，通過改變支座受力面積來模擬支座不同的脫空情況，最后分析板橋頻率振型的變化規(guī)律來判斷支座脫空位置。

2 板橋結(jié)構(gòu)有限元模型建模過程

本文通過ANSYS采用整體式模型對(duì)簡支板橋支座脫空的不同工況進(jìn)行模態(tài)模擬分析，板橋的邊梁、中梁、邊梁，每片梁兩端各有兩個(gè)支座，板厚度全取為等厚度15cm，長4m，寬0.5m，中梁和兩邊梁完全相同，均勻配置體積率為1.62%的HRB335Φ12、Φ10和Φ8的鋼筋網(wǎng)。墊梁長為1.6m，寬為0.5m，高為0.25m，墊梁均勻配置體積率為1.23%的HRB335Φ10和Φ8的鋼筋網(wǎng)，每片梁兩端各有兩個(gè)支座。實(shí)體單元選擇Solid45，通過beam44單元模擬支座，本文所建立的有限元模型在滿足實(shí)驗(yàn)所需精度的情況下，使單元數(shù)目降到最低，從而有效提高模擬計(jì)算速度;在節(jié)點(diǎn)編號(hào)時(shí)，盡量把支座節(jié)點(diǎn)與混凝土節(jié)點(diǎn)重合，便于模擬支座在不同工況下的脫空分析。

3 板橋支座脫空有限元分析

3.1 支座脫空不同工況的確定

本文以對(duì)稱性考慮橋梁左端出現(xiàn)支座脫空的情況，具體脫空情況如右表所示;由于模擬提取數(shù)據(jù)值較小，為對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析，將對(duì)所提取的數(shù)據(jù)歸一化處理，歸一化基準(zhǔn)值為一階跨中1號(hào)編號(hào)位置位移。對(duì)支座未脫空進(jìn)行模擬時(shí)，各節(jié)點(diǎn)相對(duì)位移如圖1所示。

3.2 不同工況計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1 一個(gè)支座脫空

如圖3所示，為了研究位移變化率與支座脫空之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)支座出現(xiàn)50%、75%、95%、100%脫空，由于當(dāng)支座出現(xiàn)95%以上脫空時(shí)即相當(dāng)于完全脫空，無法繼續(xù)使用，而當(dāng)支座脫空小于95%時(shí)，其位移變化率不大于2000%，故設(shè)一脫空閾值2000%，即位移變化率大于2000%時(shí)則判定該位置出現(xiàn)支座脫空。因?yàn)楸疚难芯堪鍢蜃蠖酥ё摽涨闆r，所以選擇左端支座所在橫截面的振型代替橋梁整體振型來進(jìn)行分析。由圖2—圖5可知，脫空時(shí)梁的自振頻率變小，在脫空處的支座位移變化率明顯變大。當(dāng)梁左端出現(xiàn)支座脫空情況時(shí)，脫空處節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位移值與未脫空相比變化極其明顯。

由圖6—圖7可知，在2號(hào)支座脫空的情況下2號(hào)支座所在節(jié)點(diǎn)位移變化最大，其最大值為7150.23%，大于設(shè)定閾值2000%。但是相對(duì)于邊支座1號(hào)脫空時(shí)1號(hào)支座對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)位移變化小，這表明邊支座脫空對(duì)結(jié)構(gòu)的自振振型影響更大。

由圖9可知，其頻率變化值隨著脫空位置的移動(dòng)而發(fā)生變化，且其值呈脫空位置向中梁移動(dòng)而變小的趨勢，即邊梁支座相對(duì)于中梁支座脫空對(duì)橋梁頻率影響更大，且同一梁上支座靠近邊梁支座脫空對(duì)頻率影響值更大，由以上三種不同工況支座脫空可得出：支座脫空對(duì)支座所在位置及其周圍節(jié)點(diǎn)位移變化影響最大，且當(dāng)離支座脫空處越遠(yuǎn)，其影響越小。

3.2.2 兩個(gè)支座脫空

有限元模擬1，3號(hào)支座脫空情況如圖10，以上數(shù)據(jù)表明，當(dāng)橋梁某一端某位置出現(xiàn)支座脫空時(shí)，其對(duì)支座所在周圍節(jié)點(diǎn)位移影響最大，而對(duì)遠(yuǎn)離支座脫空點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)位移影響很小，脫空支座所在截面振型的變化規(guī)律為脫空節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)較大的位移變化。其余工況所得結(jié)論與工況一相同，故本文不做詳細(xì)陳述。

3.3 試驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可知，在支座脫空位置，其對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)相對(duì)較大的位移，其振型在脫空處表現(xiàn)出突變，所以根據(jù)實(shí)驗(yàn)測得數(shù)據(jù)便可判斷出支座脫空位置，且其脫空位置越靠近邊梁，其為位移越大，振型突變?cè)矫黠@，其位移變化率在支座脫空處有突變，且其值大于閾值2000%。其頻率隨著支座脫空而減小，而脫空支座位置越靠近邊梁，頻率減小值越大。通過上模態(tài)變化規(guī)律，可以判斷支座的脫空情況，這為橋梁支座脫空問題提供了一種可能的方法，有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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