基于加速度幅值比的空心板梁桥铰缝损伤评价应用研究
时间：2020-11-05 10:12:41 来源：达达文档网 本文已影响 人 
徐亚林
摘要：铰缝作为板梁桥横向传力构件，直接影响桥梁的结构安全稳定，对其进行检测评估十分必要。研究通过ANSYS有限元软件进行动力响应分析，对不同损伤位置（跨中、梁端）及不同损伤程度（0%、25%、50%、75%）下的铰缝进行模拟，提出了加速度幅值比来定义铰缝损伤，并得到铰缝损伤的评估标准。在此基础上，对江苏省高速公路某一混凝土空心板梁桥进行铰缝损伤的实测研究，进一步分析和验证了铰缝损伤评估方案的应用效果。
Abstract：
As the transverse force transmission member of the slab beam bridge， the hinge joint directly affects the safety and stability of the bridge structure， and its detection and evaluation are very necessary. The study used ANSYS finite element software to perform dynamic response analysis， and simulated hinge joints at different damage positions （span mid-span and beam end） and different damage levels （0%， 25%， 50%， 75%）. The value ratio was used to define the hinge damage， and the evaluation standard of the hinge damage was obtained. Based on the simulation， the joint joint damage measurement of a concrete hollow slab beam bridge in Jiangsu Province was carried out. The effect of the joint joint damage assessment scheme was further analyzed and verified.
關键词：桥梁病害;铰缝损伤评价;加速度幅值比;实桥运用
0 引言
混凝土空心板梁桥作为中小跨径典型桥梁，被广泛应用于高等级公路建设中。经过长期的运营服役，面临着交通量急剧增长、服役环境复杂多变等问题。铰缝作为板梁横向传力的构件，存在铰缝渗水、析白、脱落等问题，直接影响桥梁的横向传力效果，严重情况下会造成“单板受力”现象[1～2]。因此，研究铰缝的损伤规律及性能评估就显得十分重要。近年来，国内外学者围绕板梁桥铰缝问题进行研究，提出了基于铰缝刚度变化、相对位移指标、加速度幅值变化、振型数据变化等一系列铰缝损伤评估检测方法，但是相关方法的应用都具有一定对象适用性和局限性[3～7]。因此，深入研究铰缝性能劣化规律并建立铰缝损伤检测评估体系就尤为重要，本文以江苏省高速公路服役的混凝土空心板梁桥为研究对象，进行铰缝损伤评估的研究，具有一定的工程应用价值。
1 有限元数值模拟
研究采用ANSYS有限元软件建立了13m跨径、13块板梁铰接的桥梁模型，通过车辆模型进行有限元的车轿耦合动力响应分析，考察铰缝劣化因素对于预应力混凝土空心板梁结构的性能影响，着重关注板梁的挠度、加速度等数值变化规律。板梁结构几何尺寸及建模过程如表1和图1所示。
研究采用删除铰缝实体单元的方法来表征铰缝受损，对于13块板梁铰接的桥梁而言，共有12条混凝土铰缝，模拟针对第6#铰缝分别在跨中和梁端进行不同程度的铰缝损伤模拟（见图2 ），铰缝损伤模拟工况如表2所示。
研究采用加速度幅值比来定义铰缝损伤，其基本原理是采用铰缝两侧梁板的加速度幅值进行比值分析，该指标既考虑了单块板梁的挠度、加速度结果，也同时考虑了相邻板梁的传力效果。研究对于第6#铰缝在不同位置及不同受损程度下，板梁动力响应的加速度幅值比结果进行汇总分析，如表3所示。
通过对第6#铰缝在不同铰缝受损工况下的动力响应及加速度幅值比进行分析，可以发现随着铰缝受损程度的增大，无论是铰缝跨中位置还是梁端位置，其加速度幅值比均不断增大。对于跨中处铰缝受损的工况，其跨中处的加速度幅值比要大于1/4跨处，而梁端处铰缝受损的工况，结果相反。说明越靠近铰缝受损处，其加速度幅值比越大。为进一步探究铰缝损伤的评估，研究将铰缝损伤及对应的加速度幅值比进行等级划分，如表4所示。
2 实桥检测应用
2.1 桥梁基本概况
研究选用江苏省内某高速公路板梁桥为实测对象，进行铰缝损伤的评估，该桥上部结构为6×13m先张法预应力混凝土结构，桥宽24m。该桥铰缝损伤的外部表现较为明显，铰缝渗水、析白情况较为严重，部分铰缝勾缝脱落，铰缝病害外观如图3所示。
2.2 检测方案
研究采用电子位移计分别测试板梁的挠度变形、铰缝的开合和错台，相关数据的采集需要在持续交通流情况下监测20分钟，采样频率为200Hz。其中，铰缝的开合是指其相邻板梁在水平方向上距离变化，错台是指相邻板梁在竖向方向上的位移值，相关测定点的布置示意如图4所示。
2.3 检测分析
通过对检测数据的提取，研究首先分析了第6#和7#铰缝的开合数据，结果如图5和图6所示。
由图5、图6可知，6铰缝在两个时段采集的实测开合数据均大于7#铰缝，6#铰缝开合最大达到0.132mm。
在铰缝外观检测的基础上，发现第6#铰缝1/4跨处至跨中处伴有不同程度的析白、渗水现象，长度约为5m，数据测试和采集过程中着重关注了6#～8#板梁挠度的数据变化，其监测结果如图7、图8所示。
由图7、图8可知，当有车辆通过桥面时，板梁会有一定下挠，挠度会呈现一定幅度波动，最终再恢复初始状态。其中，相对于8#板梁，6和7板梁的下挠更为明显，说明第6#铰缝横向传力效果不如第7#铰缝，通过数据处理后进一步得到6#铰缝和7#铰缝在跨中及1/4跨处的相对位移时程曲线，如图9和图10所示。
如图9、图10所示，6#铰缝在跨中及1/4跨处的相对位移时程曲线均远大于7#铰缝，说明铰缝6#已存在损伤，该结论与铰缝外观检测一致，相对而言，7#铰缝的相對位移实测值趋近于0，说明铰缝未受损伤，传力效果较好。为一步评估6#铰缝的损伤等级，对铰缝两侧板梁的位移时程曲线进行处理得到加速度时程曲线，如图11和图12所示。
由图11、图12可知，第6#板梁的加速度幅值要大于7#板梁，计算得到6#和7#铰缝的加速度幅值比分别为1.14和0.98。根据前文铰缝损伤评定标准来看，6#铰缝处于轻微损伤，而7#铰缝未受损。加速度幅值比在考虑相邻板梁加速度时程曲线的基础上，进一步验证和量化了铰缝评估指标，该检测评估方法具有一定科学性和可实践操作性。
3 结语
本文通过ANSYS有限元模拟空心板梁桥动力响应分析发现，随着铰缝破坏程度的增加，铰缝相对位移等指标也随之增大，进一步总结出利用加速度幅值比来衡量铰缝损伤程度，该方法为实际工程评价桥梁铰缝损伤程度提供一种新的思路。
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