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        橋梁板損傷對(duì)簡(jiǎn)支T 梁橋一階固有頻率的影響分析

        2020-03-01 09:41:18陶亮吳昌霞
        西部交通科技 2020年10期
        關(guān)鍵詞:固有頻率

        陶亮 吳昌霞

        摘要:作為梁格體系簡(jiǎn)支T梁橋,橋面板的損傷破損必然會(huì)帶來(lái)橋梁整體剛度的改變,進(jìn)而影響橋梁的固有動(dòng)力特性。文章利用有限元分析方法,分析了T梁翼板破損前后的橋梁一階固有頻率的變化,得出了T梁翼板破損對(duì)簡(jiǎn)支T梁橋固有頻率的影響規(guī)律,并以實(shí)際工程中的多跨簡(jiǎn)支梁的固有頻率測(cè)試為例,分別測(cè)試了橋面板無(wú)損傷跨和有損傷跨的一階固有頻率,分析橋面板損傷對(duì)一階固有頻率的影響。結(jié)果表明,單根T梁在跨中位置翼板全部破損的情況下,一階固有頻率較完好情況下降低15.63%。因此,在工程中利用簡(jiǎn)支T梁橋固有頻率的變化,可以初步判斷橋梁存在損傷的情況。

        關(guān)鍵詞:簡(jiǎn)支T梁;翼板破損;固有頻率;動(dòng)力測(cè)試

        0 引言

        隨著橋梁實(shí)際運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增長(zhǎng),橋梁的使用性能會(huì)逐漸衰減,出現(xiàn)不同程度的病害情況[1]。特別是在國(guó)內(nèi)國(guó)道上,存在大概率的重車通行情況,會(huì)加快橋梁性能的衰減,極易產(chǎn)生破損等病害[2]。

        鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁這種橋梁結(jié)構(gòu),在20世紀(jì)90年代左右的橋梁建設(shè)中大量采用。這種橋型主要特點(diǎn)是采用梁格體系,由多片T梁裝配形成。裝配過(guò)程中T梁間采用翼板濕接的方式進(jìn)行連接,起到橋面板承載的作用。在重車的往復(fù)作用下,T梁翼板也是最容易發(fā)生損傷的位置,特別是靠近路面中線跨中的位置。這類損傷必然會(huì)引起橋梁動(dòng)、靜力特性的變化[3-4]。如何利用動(dòng)力特性的變化來(lái)識(shí)別這類損傷,是近年國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)[5]。有文獻(xiàn)表明,橋梁的損傷會(huì)造成橋梁固有的動(dòng)力特性的改變,如固有頻率、振型等[6]。因此,研究橋梁的損傷對(duì)動(dòng)力特性變化的影響程度,對(duì)利用實(shí)測(cè)動(dòng)力特性識(shí)別橋梁的損傷具有重要意義。

        本文以鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁橋?yàn)閷?duì)象,研究分析T梁翼板損傷(即橋面板破損)對(duì)橋梁固有頻率的影響,利用有限元方法,分別建立橋面板損傷與完好狀態(tài)的計(jì)算模型,對(duì)比分析理論計(jì)算得出的固有頻率變化,同時(shí)通過(guò)一座實(shí)際的多跨簡(jiǎn)支梁橋,對(duì)比測(cè)試完好跨與橋面板破損跨的實(shí)測(cè)固有頻率,最終通過(guò)理論與實(shí)測(cè)兩種方式來(lái)分析橋梁板損傷對(duì)簡(jiǎn)支T梁橋1階固有頻率的影響,以此為在工程中利用簡(jiǎn)支T梁橋固有頻率變化識(shí)別橋梁損傷情況的應(yīng)用提供依據(jù)。

        1 簡(jiǎn)支梁的1階固有頻率理論計(jì)算方法

        簡(jiǎn)支梁橋可根據(jù)力學(xué)簡(jiǎn)化為如圖1所示的動(dòng)力分析圖。

        由式(2)可以看出,在橋梁跨徑不變的情況下,簡(jiǎn)支梁截面的抗彎剛度EI的變化,必然會(huì)帶來(lái)固有圓頻率ωn的變化。

        對(duì)于T梁橋,T形截面翼板的破損,會(huì)導(dǎo)致截面慣性矩I的減小,進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致截面的抗彎剛度EI減小。因此,根據(jù)式(2),T梁的固有頻率會(huì)因T形截面翼板的破損而減小。

        2 翼板破損對(duì)1階固有頻率影響的有限元分析

        2.1 有限元模型的建立

        以一跨22m跨徑的簡(jiǎn)支T梁橋?yàn)槔?,建立有限元模型,分析橋面板損傷對(duì)1階固有頻率的影響。整跨橫向由7片T梁組成,中梁和邊梁寬度相同,T梁間采用鋼板焊接連接。每片T梁腹板底寬為0.36m,腹板高為1.30m,翼緣板一側(cè)懸挑段寬為0.70m(T梁截面尺寸見圖2)。梁體混凝土材料為C40混凝土。采用梁格法建立橋梁的有限元模型,分別模擬完好狀態(tài)以及跨中兩橫隔板間、3#與4#T間橋面板全部破損兩種情況。有限元模型如圖3所示。

        2.2 損傷前后固有頻率的計(jì)算結(jié)果及對(duì)比

        由有限元計(jì)算,得出簡(jiǎn)支梁的1階固有模態(tài)如圖4所示。由此得到損傷前后固有頻率的計(jì)算結(jié)果,如表1所示。

        從有限元分析結(jié)果對(duì)比表中可以看出,本次模擬的橋面板破損程度下,1階固有頻率較未損傷情況下有明顯的降低,降低比例達(dá)到15%。

        3 翼板破損對(duì)1階固有頻率影響的實(shí)橋測(cè)試

        3.1 橋梁概況

        某大橋位于廣西三江縣境內(nèi)三江至從江二級(jí)公路國(guó)道321線上,建成于1990年。橋梁全長(zhǎng)330.94m,橋面總寬12.50m,上部結(jié)構(gòu)橋孔布置為8.50m(現(xiàn)澆鋼筋混凝土板梁)+14×22.20m(預(yù)制鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T形梁)+8.50m(現(xiàn)澆鋼筋混凝土板梁),T梁支座采用板式橡膠支座。該橋中有14跨為跨徑22.2m的鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁。橋梁橫斷面圖如圖5所示。

        3.2 橋梁的破損情況

        由于此橋建成時(shí)間較長(zhǎng),使用性能已發(fā)生衰變,同時(shí)國(guó)道上重車交通量大,造成多跨T梁的橋面板(翼板)出現(xiàn)不同程度破碎。其中6#跨T梁翼板受損最為嚴(yán)重,在跨中處兩道橫隔板、兩片T梁之間的翼板全部破碎。而該橋梁14#跨及15#則為完好跨,未出現(xiàn)損傷。

        3.3 1階固有頻率的測(cè)試及對(duì)比分析

        根據(jù)前述的分析,6#跨T梁翼板受損后,其固有頻率會(huì)產(chǎn)生下降,相比于完好狀態(tài)的14#跨及15#跨,固有頻率會(huì)明顯變小。為此,采用脈動(dòng)試驗(yàn)法對(duì)損傷跨和未損傷跨的固有頻率進(jìn)行測(cè)試識(shí)別。利用東華測(cè)試的DH610V加速度拾振器,采集到6#跨、14#跨及15#跨跨中處的振動(dòng)加速度時(shí)程曲線。典型加速度時(shí)程曲線如圖6所示。

        利用加速度時(shí)程曲線,進(jìn)行頻譜分析,得到6#跨、14#跨及15#跨的振動(dòng)頻譜圖,分別如圖7、圖8所示。進(jìn)而識(shí)別出各跨的1階固有頻率,對(duì)比如表2所示。

        從表2可以看出,橋面板破損嚴(yán)重的6#跨的1階固有頻率較完好的14#跨、15#跨的1階固有頻率有明顯的降低,降低百分比達(dá)到15.63%,與表1中理論計(jì)算結(jié)果相吻合。因此,在工程中,簡(jiǎn)支T梁橋固有頻率的變化,可以反映出橋梁的損傷情況。

        4 結(jié)語(yǔ)

        本文利用有限元分析方法,分析了橋面板破損前后的簡(jiǎn)支T梁橋1階固有頻率的變化,得出了T梁翼板破損對(duì)簡(jiǎn)支T梁橋固有頻率的影響規(guī)律。利用實(shí)際工程對(duì)比測(cè)試的方法,實(shí)際測(cè)試了同等跨徑和截面情況下,T梁翼板破損橋跨和完好橋跨的1階固有頻率,并對(duì)比分析了實(shí)際橋面板損傷對(duì)1階固有頻率的影響。最終得出如下結(jié)論:

        (1)對(duì)于T梁橋,T形截面翼板的破損,會(huì)導(dǎo)致截面慣性矩的減小,進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致截面的抗彎剛度減小,引起T梁固有頻率的明顯降低。

        (2)在跨中處兩道橫隔板、兩片T梁之間的翼板全部破碎的情況下,簡(jiǎn)支T梁橋1階固有頻率有明顯的降低,對(duì)比測(cè)試結(jié)果表明,降低百分比達(dá)到15.63%。

        (3)簡(jiǎn)支T梁橋固有頻率的變化,可以反映出橋梁的損傷情況。

        參考文獻(xiàn):

        [1]菅志偉.公路橋梁荷載試驗(yàn)檢測(cè)在橋梁養(yǎng)護(hù)中的作用探討[J].工程技術(shù)研究,2020,5(3):83-84.

        [2]陳曉東.公路橋梁動(dòng)力特性試驗(yàn)研究[J].中國(guó)建材科技,2019,28(5):104-106.

        [3]漆榮劍.鋼筋混凝土橋梁試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用[J].交通世界,2019(10):78-79.

        [4]王 霖.預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋加固及靜動(dòng)載試驗(yàn)評(píng)價(jià)研究[J].西部交通科技,2015(11):64-67.

        [5]吳向男,徐 岳,梁 鵬,等.橋梁結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別研究現(xiàn)狀與展望[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,33(6):49-58.

        [6]劉義倫,時(shí)圣鵬,廖 偉.利用曲率模態(tài)識(shí)別橋梁損傷的研究[J].振動(dòng)與沖擊,2011,30(8):77-81,96.

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