橫隔梁損傷對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)橫向受力性能的影響研究

趙珞珞，李春良

吉林建筑大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院,130118

0 引言

T形梁橋在我國(guó)公路橋梁總數(shù)中所占比重較大,一旦出現(xiàn)安全隱患將產(chǎn)生嚴(yán)重的后果.橫隔梁作為其主要的橫向聯(lián)接結(jié)構(gòu),遭到破壞后會(huì)減弱各梁之間的橫向聯(lián)系,使得各梁分配到的荷載相較于橫隔梁完好時(shí)分配到的荷載發(fā)生明顯變化,最終影響橋梁的橫向受力.現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要從以下方面研究T形梁橋損傷后橫向受力的變化:① 采用有限元軟件建立橋梁有限元模型,考慮跨徑、主梁片數(shù)以及橫隔板數(shù)量等因素的影響,繪制各主梁截面橫向分布影響線[1].② 采用解析法來(lái)分析,考慮各主梁間橫向連接構(gòu)件濕接縫剛度損傷條件下,重新推導(dǎo)現(xiàn)有方法計(jì)算公式,對(duì)在役橋梁荷載橫向分布作出正確評(píng)價(jià)[2].③ 采用荷載試驗(yàn)的方法,通過(guò)實(shí)測(cè)跨中撓度計(jì)算各梁的橫向分布系數(shù),利用荷載試驗(yàn)結(jié)果來(lái)分析橋梁在成橋狀態(tài)下的實(shí)際橫向分布系數(shù)[3-4].

本文利用有限元軟件ANSYS 建立完好的橋梁模型和橫隔梁損傷之后的簡(jiǎn)支T梁橋模型,通過(guò)對(duì)橫隔梁損傷前后的橫向影響線對(duì)比,研究其損傷對(duì)橋梁橫向受力帶來(lái)的變化.

1 ANSYS模型的建立

利用ANSYS建立一座簡(jiǎn)支的鋼筋混凝土剛接T梁橋,計(jì)算跨徑L=19.5 m,縱向5片橫隔梁的有限元模型[5].如圖1所示，其中(a),(b),(c)分別表示橋、主梁、中橫梁的截面.

圖1 橋、主梁、中橫梁截面(單位：cm)Fig.1 The cross section of bridge,main girder and middle diaphragm(Unit:cm)

1.1 橫隔梁完好時(shí)的橋梁模型

以梁格法原理為基礎(chǔ)建立簡(jiǎn)支T形梁橋的ANSYS模型,其中橫隔梁和T形主梁的模擬選用梁?jiǎn)卧械腂EAM44單元.所建立的橋梁完好時(shí)的有限元模型,如圖2，圖3所示.

圖2 橋梁整體有限元模型Fig.2 Bridge’s integral finite element model

圖3 未損傷的橫隔梁模型Fig.3 Undamaged diaphragm model

1.2 橫隔梁損傷后的橋梁模型

橫隔梁損傷后,采用減小受損位置處橫隔梁高度的方法來(lái)模擬損傷的橫隔梁.采用橫隔梁損傷后的工作高度h′與完好橫隔梁的高度h的比值來(lái)描述橫隔梁的損傷程度α.即α=1-h′/h，如圖4所示.

圖4 損傷的橫隔梁模型Fig.4 Damaged diaphragm model

2 算例分析

2.1 驗(yàn)證模型合理性

將橋梁完好時(shí)ANSYS有限元模型以及剛接梁法理論[6]得到的各梁橫向分布影響線進(jìn)行比較,以此驗(yàn)證本文所建模型的正確性.

圖5中的曲線為橫隔梁未損傷時(shí)軟件模擬結(jié)果和剛接梁法計(jì)算結(jié)果的3號(hào)主梁的橫向影響線對(duì)比圖.經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)2條曲線基本重合.這說(shuō)明本文所建模型的計(jì)算結(jié)果正確合理,能夠模擬實(shí)際情況下簡(jiǎn)支T形梁橋的橫向受力狀態(tài).

圖5 3號(hào)主梁的橫向影響線Fig.5 Lateral influence line of No.3 girder

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

2.2.1 橫隔梁損傷的影響

為了研究橫隔梁損傷后簡(jiǎn)支T形梁橋橫向受力的情況,現(xiàn)假設(shè)2號(hào)接縫處橫隔梁損傷50 %,即如圖1(a)所示的2號(hào)，3號(hào)主梁之間的橫隔梁損傷50 %.通過(guò)有限元軟件ANSYS算得3號(hào)中主梁的橫向影響線,以及1號(hào)邊主梁的橫向影響線,如圖6，圖7所示.

圖6 2號(hào)橫隔梁損傷前后3號(hào)主梁的橫向影響線Fig.6 Lateral influence line of No.3 girder under No.2diaphragm damaged and undamaged

圖7 2號(hào)橫隔梁損傷前后1號(hào)主梁的橫向影響線Fig.7 Lateral influence line of No.1 girder under No.2diaphragm damaged and undamaged

圖6中的2條曲線分別為3號(hào)主梁在橫隔梁未損傷以及2號(hào)接縫處橫隔梁損傷50 %的情況下橫向影響線的對(duì)比圖.經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn),橫隔梁損傷后,當(dāng)荷載作用于離損傷位置較近的2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)中主梁時(shí),其3號(hào)主梁橫向影響線豎標(biāo)值增大;尤其是當(dāng)荷載作用到3號(hào)主梁自身時(shí),其橫向影響線豎標(biāo)值增大;當(dāng)荷載作用于離損傷橫隔梁較遠(yuǎn)的1號(hào)、5號(hào)邊主梁時(shí),3號(hào)主梁橫向影響線豎標(biāo)值減小;影響線豎標(biāo)值增大與減小分別意味著主梁分配到荷載的增大與減小.這主要是因?yàn)闄M隔梁作為主梁間橫向連接的主要構(gòu)件起到橫向傳遞荷載的作用,其損傷使得這種傳遞作用被減弱,從而影響各主梁最終分配到的荷載值,對(duì)橋梁的橫向受力性能產(chǎn)生不利影響.

圖7中的2條曲線分別為1號(hào)主梁在橫隔梁未損傷以及2號(hào)接縫處橫隔梁損傷50 %的情況下橫向影響線的對(duì)比圖.經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn),當(dāng)荷載作用在1號(hào)邊主梁時(shí),隨著橫隔梁的損傷，其橫向影響線豎標(biāo)值出現(xiàn)增大的情況;當(dāng)荷載作用在2號(hào)、4號(hào)中主梁時(shí),其橫向影響線豎標(biāo)值與橫隔梁未損傷時(shí)相比出現(xiàn)了減小的情況;此外,當(dāng)荷載作用在損傷位置右側(cè)的3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)主梁時(shí),其荷載橫向影響線數(shù)值幾乎接近零,說(shuō)明此時(shí)1號(hào)梁幾乎分擔(dān)不到荷載.這說(shuō)明橫隔梁損傷嚴(yán)重影響了橋梁橫向傳遞荷載的能力,使得荷載無(wú)法進(jìn)行正常的橫向傳遞.

2.2.2 橫隔梁損傷程度的影響

為了研究橫隔梁損傷程度對(duì)橋梁橫向受力的影響,現(xiàn)假設(shè)2號(hào)接縫處橫隔梁分別損傷20 %和50 %，通過(guò)有限元軟件ANSYS計(jì)算得出3號(hào)主梁不同損傷程度對(duì)應(yīng)的橫向影響線如圖8所示.

圖8中的3條曲線分別為3號(hào)主梁在橫隔梁未損傷以及2號(hào)接縫處橫隔梁損傷20 %,50 %的情況下橫向影響線對(duì)比圖.經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn),當(dāng)荷載作用在3號(hào)主梁自身時(shí),橫隔梁損傷程度大的3號(hào)主梁分配到的荷載大于橫隔梁損傷程度小的3號(hào)主梁分配到的荷載,說(shuō)明橫隔梁損傷程度越大,荷載作用于自身時(shí)所分配到的荷載越大;當(dāng)荷載作用在1號(hào)，5號(hào)邊主梁時(shí),與上述情況相反;并且與橫隔梁未損傷時(shí)圖形曲線相比,橫隔梁損傷程度大的3號(hào)主梁影響線曲線比橫隔梁損傷程度小的曲線變化更劇烈.這說(shuō)明,隨著橫隔梁損傷程度的增大,對(duì)橋梁橫向傳遞荷載能力的影響也越大.

圖8 2號(hào)橫隔梁不同損傷程度下3號(hào)梁的橫向影響線Fig.8 Lateral influence line of No.3 girder under differentdegrees of damaged No.2 diaphragm

2.2.3 橫隔梁損傷對(duì)不同位置主梁的影響

圖9中的4條曲線分別為2號(hào)、4號(hào)主梁在橫隔梁未損傷以及2號(hào)接縫處橫隔梁損傷50 %的情況下橫向影響線對(duì)比圖.

圖9 2號(hào)橫隔梁損傷前后2號(hào)和4號(hào)主梁的橫向影響線Fig.9 Lateral influence lines of No.2 and No.4 girder underNo.2 diaphragm damage and undamaged

經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn),首先,橫隔梁損傷后分別位于受損橫隔梁左右兩側(cè)的2號(hào)主梁和4號(hào)主梁橫向分布影響線豎標(biāo)值整體上呈現(xiàn)先減小后增大再減小的規(guī)律;其次,離受損橫隔梁最近的2號(hào)主梁影響線豎標(biāo)值的變化更劇烈,離受損橫隔梁較遠(yuǎn)位置的4號(hào)主梁影響線豎標(biāo)值的變化較平緩.這主要是因?yàn)槭軗p橫隔梁影響了荷載橫向傳遞的效果,且橫隔梁的損傷會(huì)對(duì)不同位置的主梁產(chǎn)生不同程度的影響,距離受損橫隔梁越近的主梁,受到的影響越大.

3 結(jié)論

(1) 通過(guò)ANSYS有限元軟件的模擬，可以準(zhǔn)確計(jì)算簡(jiǎn)支T梁橋在橫隔梁損傷后的橫向影響線數(shù)標(biāo)值，可以用于橫隔梁損傷對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)橫向受力性能影響的研究與討論.

(2) 橋梁橫向傳遞荷載的能力受到損傷橫隔梁的影響,其損傷程度越大,橋梁橫向傳遞荷載的能力越弱;且橫隔梁損傷使得各梁不能均勻、有效的傳遞和分配荷載;此外,不同位置的橫隔梁損傷會(huì)對(duì)不同位置主梁的橫向受力性能造成不同的影響,且距離損傷橫隔梁越近、相互完好連接越差的主梁,其受力狀態(tài)越不利.