桥梁结构基于校验系数损伤程度的研究

2011-07-31张献民

中国民航大学学报 2011年4期

张献民，李惠

（中国民航大学机场学院，天津 300300）

近些年来无论国内还是国外，桥梁倒塌的事故频频发生[1]，众多由于桥梁损伤而导致桥梁倒塌的例子向我们发出严重警告，许多现有的桥梁已不能满足现代交通运输量的使用要求，桥本身已经出现不同程度的损伤与承载力下降问题，需要及时进行检测监测并对其进行维修加固处理。

无论是公路铁路桥梁还是机场滑行道桥，桥梁试验对桥梁结构的损伤检测都具有十分重要的意义。桥梁试验一般分为静荷载试验和动荷载试验。静载试验是将静载作用在桥梁上的指定位置而测试结构的静应变、静位移以及其他试验项目，从而推断桥梁结构在荷载作用下的工作状态和使用能力。在静载试验中校验系数是一个重要的评测指标[2]，而目前许多文献对校验系数的研究仅仅在于对比它的值是否符合规范标准，而没有把校验系数和损伤程度联系起来。本文针对这种情况，结合有限元软件ANSYS模拟T型梁在不同荷载作用下挠度的变化来探索损伤程度和校验系数的关系，为桥梁的无损检测提供了新思路。

1 理论基础

1.1 结构跨中位置的挠度

1.2 梁构件承载力评定方法—校验系数η法

校验系数η是评定结构工作状态、评定桥梁承载力的一个重要指标，可以从中判定桥梁结构的承载能力的工作状态。校验系数η是试验实测值与理论计算值的挠度之比，它反映结构的实际工作状态。即

一般来说η≤1说明理论计算偏安全，结构尚有一定的安全储备，在这个情况下说明桥梁结构的工作状态良好，η值越小表明结构的安全储备越大。由于本文研究的是有一定损伤程度的桥梁的校验系数，因此校验系数均η≥1。

1.3 基于频率变化对桥梁的检验

采用极限频率作为结构模态参数进行桥梁结构检验，由振动力学可知，结构的固有频率的表达式可写成如下形式

由上式可以看出，结构的固有频率是质量m、截面尺寸、材料的函数。当桥梁整体承载力下降时结构的抗弯刚度EI也会相应减小，而质量变化不大从而结构的固有频率相应减小。

综上所述，抗弯刚度EI的变化和挠度、校验系数以及频率都有着密切关系，所以本次课题着重研究当抗弯刚度EI发生一定变化即桥梁有一定损伤情况下，校验系数的变化规律。

2 理论分析

2.1 ANSYS模型的建立

1）本文根据河北省某桥为原型建立T型梁，T型梁的翼缘的宽度B为1 480 mm，翼缘的高度hf为80 mm，T型梁的高h为1 160 mm，跨度分别取L1=15 m，L2=17.5 m，L3=19.96 m。

2）本构关系的选取：混凝土的本构关系采用E.Hongnestad表达式表示混凝土的单轴应力应变关系式。在ANSYS建模时，认为应力应变关系式拉压相等，由于混凝土材料受拉段非常短，认为拉压相同影响小。纵向钢筋的应力应变关系采用理想弹塑性模型，如图1和图2所示

3）ANSYS仿真建模中，混凝土采用SOLID65单元，计算模型假定混凝土与钢筋粘结良好，不考虑二者之间的滑移，采用的是分离式模型，混凝土强度等级C30，钢筋采用二级钢筋，纵筋采用LINK 8。划分单元时，为保证计算精度，单元尺寸尽可能小些，钢筋混凝土采用分离式建模的方式，并进行了耦合。具体参数以及模型如表1和图3和图4所示[4-6]。