基于数值模拟的空心梁板桥梁整体性快速检测方法分析及工程实例应用

冯金库

摘 要：目前空心梁板已成为中小型桥梁结构型式的主要选择，在这一背景下，本文采用基于横向分布影响线的空心板梁桥横向整体性检测方法，通过建立三维数学模型，模拟集中应力在桥梁横向移动作用过程，通过分析荷载移动过程中两侧边板相对位移差值判断桥梁结构损伤。同时，本文以广东某小型公路实例桥梁为研究对象，采用本文建立的方法快速对其桥梁整体性能进行了判断分析。本文采用方法可为提高桥梁整体性能检测效率、节约检测费用提供参考与借鉴。

关键词：空心梁板;数值模拟;性能检测;集中应力

中图分类号：U445 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）12-0150-02

0 引言

随着我国经济的迅猛发展，综合交通体系不断完善，公路桥梁建设数量直线上升。其中，空心梁板桥梁由于造价低廉、施工简单方便、工期短（可先预制并现场安装）广泛应用于低等级农村公路桥梁中[1]。据统计，2017年我国新建桥梁中，采用空心梁板桥梁数量达到176.2万座，占新建桥梁总数的23.6%，数量十分庞大。由于空心梁板桥梁横向应力较大，容易产生铰缝开裂、渗水等不利情况（图1所示）[2]。因此，针对空心梁板桥梁的建设特性提出相应的快速检测方法，保障桥梁运营稳定，节约检测费用，具有十分重要的意义。

1 空心梁板整体性快速检测方法分析

1.1 检测方法分析

图2所示，为细化研究区域，逐一分解研究对象，沿着桥梁轴向将研究对象分割成对称的若干虚拟单元，距离步长为d;并按顺序进行编号。以分割节点为受力点，依次在各个分割节点施加集中荷载，且施加的荷载大小保持一致。通过位移监测装置记录跨中位移测试截面处铰缝两侧板梁的位移数值。

根据文献[3]中的研究成果，以及笔者大量实践经验，在桥梁横向应力整体性分布良好时，集中应力作用在对称点（如1点与点）时，两侧边板处产生的位移值差（即集中应力作用在1点时左侧边板处位移值-即集中应力作用在点时右侧边板处位移值，记为）近似于0。若值与0差距较大（根据文献[3]中的研究成果，临界值为±0.1m），则可认为该对称点出现铰缝破坏（位移值值大的点为破坏点）。

1.2 检测步骤

根据检测方法原理，以及部分实践经验，总结空心梁板整体性快速检测步骤如：（1）了解待检测桥梁的实际情况，明确需要检测的铰缝所在位置;（2）通过以下原则综合确定距离步长d;1）能被桥跨长度以及单位时间荷载位移速度整除;2）距离步长越小，计算量越大计算时间越长，因此应综合考虑计算量以及计算时间;（3）根据1.1节步骤添加移动荷载（一般选择车载），并逐渐由桥跨一端向另一端移动，记录运动过程中的测量值;（4）根据1.1节步骤检测损伤出现位置以及出现时间。

2 实例工程应用分析

选择广东某小型公路实例桥梁进行检测分析，主桥采用C40混凝土浇筑，桥梁截面布置见图3所示。

借助ANSYS有限元计算软件对实例工程进行快速建模，桥梁整体模型见图4所示，采用0.5m间距划分节点，因此实例工程虚拟节点划分示意图见图5所示。

根据试验结果，将荷载移动过程中，两侧边板相对位移值变化过程见表1与图6所示。分析可知：

（1）作用点1-4点为完全无损伤区，当荷载作用在1-4点及其对称点时，相对位移差值为0。（2）作用点在5点时，相对位移值开始出现微小偏差，因此把4-5点定义为过渡区。（3）作用点在5-10点时，相对位移值出现明显变化，且在7点超过临界阈值（0.01mm），桥梁发生明显损伤。（4）作用点在10-11点时，相对位移值又逐渐缩小。离开损伤区。（5）由于左侧边板相对位移均大于右侧边板，因此可知桥梁损伤区为5-10点位置（如图5中横线标示区域所示）。

加载过程中桥梁挠度曲线变化见图7所示，分析可知，在车载加载过程中，桥梁梁底最大挠度值为-15.0mm左右，小于跨中最大容许值（-33.0mm）。同时在加载过后，挠度值能逐渐弹回，但是弹回速度较慢，可见实例工程桥梁中间区域出现了一定程度损伤，但是现状还能正常使用，应及时进行维修、加固处理，保证桥梁运营安全。

3 结语

本文在对空心梁板桥梁特性及损伤机理进行分析、总结的基础上，采用基于横向分布影响线的空心板梁桥横向整体性检测方法，通过建立三维数学模型，模拟集中应力在桥梁横向移动作用过程，通过分析荷载移动过程中两侧边板相对位移差值判断桥梁结构损伤。最后，本文以广东某小型公路实例桥梁为研究对象，通过数值模拟分析，研究了实例结构整体性能，快速判断出实例工程在5-10节点存在明显的结构损伤。本文研究结论可为小型公路桥梁快速检测提供借鉴与参考，具有十分有效的指导作用。

参考文献

[1] 余正武.高速公路路基路面病害检测技术的合理选择[J].公路，2007（5）：19-23.

[2] 成琛，沈成武，許亮.用铰接板（梁）法计算有损伤桥梁的横向分布系数[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2004（2）：229-231，251.

[3] 赵怀志，李强，程珊珊，等.公路技术状况评定指南[M].北京：人民交通出版社，2008.