混凝土剛構(gòu)橋梁損傷敏感性分析

李洋

（中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司，湖北 武漢 430014）

0 引言

伴隨著公路建設(shè)浪潮，我國也建設(shè)了大量的橋梁，在未來相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，如何對既有橋梁進行科學(xué)管理和養(yǎng)護維修，成為各道路主管部門及整個橋梁工程行業(yè)關(guān)注的問題。

橋梁作為重要的道路交通節(jié)點，必須保證在正常使用狀態(tài)下的健康狀況。橋梁一旦損壞，輕則中斷交通，重則造成人員傷亡，引發(fā)巨額經(jīng)濟損失，社會影響惡劣。如何有效地監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定狀況，實時發(fā)現(xiàn)損傷情況，發(fā)出及時預(yù)警，成為目前的研究熱點。

工程結(jié)構(gòu)在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)各種損傷。結(jié)構(gòu)對于損傷的承受能力大小稱為結(jié)構(gòu)的易損性，承受能力越大表明結(jié)構(gòu)越不容易受損，承受能力越小表明結(jié)構(gòu)越容易受損。結(jié)構(gòu)具有多種靜力和動力特性指標(biāo)，模擬結(jié)構(gòu)損傷進而分析比較不同指標(biāo)對于損傷位置和程度的響應(yīng)情況，即損傷敏感性分析。

1 模型建立

以利用有限元軟件建立空間模型為例，上部主梁結(jié)構(gòu)劃分112個梁單元，下部墩臺結(jié)構(gòu)劃分50個梁單元，全橋模型共162個梁單元。結(jié)合施工組織設(shè)計，對于懸臂施工，按照施工階段離散單元、墩臺頂面及控制截面位置適當(dāng)細分。對于主梁單元，按照施工步驟劃分，每個懸臂施工階段劃分一個單元，對于墩頂及控制截面處適當(dāng)細分。單元邊界條件根據(jù)實際模擬，主墩墩梁固結(jié)，過渡墩活動支座采用彈性連接模擬，如圖1所示。

2 結(jié)構(gòu)正常使用動力特性

對于混凝土結(jié)構(gòu)，正常使用階段高階振型很難被激勵，此次分析考慮前十階振型影響。以下列出正常使用階段結(jié)構(gòu)的前十階自振頻率大小和部分振型示意（見表1），一階～五階結(jié)構(gòu)振型如圖2所示。

表1 模態(tài)頻率和振型特征

3 敏感性分析指標(biāo)

結(jié)構(gòu)靜力特性指標(biāo)主要包括應(yīng)力和主梁撓度等，進行靜力分析主要是研究結(jié)構(gòu)損傷對上述指標(biāo)的影響。結(jié)構(gòu)動力特性指標(biāo)不同于結(jié)構(gòu)靜力特性指標(biāo)，指標(biāo)類型多且不確定因素較多。基于模態(tài)曲率，選取適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)動力特性指標(biāo)，分析其對結(jié)構(gòu)損傷的敏感性[1]。

3.1 模態(tài)曲率

材料力學(xué)規(guī)定，淺梁中性軸的彎曲曲率公式為

式（1）中：ρ為曲率；M為彎矩；EI為梁的抗彎剛度。由式（1）可以看出，主梁剛度越大，曲率越?。恢髁簞偠仍叫?，曲率越大。通過檢測主梁曲率的變化，可以反映主梁剛度變化。結(jié)構(gòu)一旦出現(xiàn)損傷，損傷區(qū)域的主梁剛度會相應(yīng)降低，進而曲率升高。因此，可以比較主梁曲率在損傷前后的變化，判斷結(jié)構(gòu)損傷程度的大小和進行損傷定位[2]。

3.2 模態(tài)曲率差

通過提取結(jié)構(gòu)模態(tài)曲率特征值，比較損傷前后模態(tài)曲率差值，定義振型模態(tài)曲率差絕對值

通過對比結(jié)構(gòu)損傷前后，模態(tài)曲率差絕對值的變化，可以分析該指標(biāo)對于結(jié)構(gòu)損傷的敏感性[3]。

4 結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)動力特性

混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷后，損傷位置的截面剛度下降，通過降低結(jié)構(gòu)正常使用階段的截面剛度，模擬結(jié)構(gòu)不同程度的損傷。通過降低單元截面剛度EI指標(biāo)，分析損傷對上述損傷動力特性指標(biāo)的影響[4]。

4.1 主跨跨中單元損傷

將主跨跨中兩個單元進行剛度折減，比較在不同程度損傷下結(jié)構(gòu)動力特性變化（見圖3、圖4）[5]。

4.2 主跨四分點處單元損傷

將主跨1/4處兩個單元進行剛度折減，比較在不同程度損傷下結(jié)構(gòu)動力特性變化（見圖5、圖6）。

4.3 邊跨四分點處單元損傷

將邊跨1/4處兩個單元進行剛度折減，比較在不同程度損傷下結(jié)構(gòu)動力特性變化（見圖7、圖8）。

對比圖3～圖8分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在結(jié)構(gòu)損傷位置處，模態(tài)曲率數(shù)值會出現(xiàn)變化，并且變化程度隨著損傷程度加大而更加劇烈；在結(jié)構(gòu)損傷位置處，模態(tài)曲率差絕對值會出現(xiàn)尖峰突變，其他位置迅速變小，隨著損傷程度加大，突變程度也越大。

5 結(jié)論

首先，通過建立一座混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋梁模型，選取適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)動力特性指標(biāo)，分析其對結(jié)構(gòu)損傷的敏感性。

其次，通過選取主梁模態(tài)曲率和模態(tài)曲率差指標(biāo)，分析發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷均會對這兩種指標(biāo)產(chǎn)生影響。隨著損傷程度的加大，在損傷處指標(biāo)變化也加大，通過指標(biāo)變化程度的大小可以反映結(jié)構(gòu)損傷程度的大小。

最后，通過對比分析，結(jié)果表明對于損傷位置和程度的識別，主梁模態(tài)曲率差指標(biāo)敏感性更好，可應(yīng)用于實際工程中結(jié)構(gòu)的損傷識別。