桥梁板损伤对简支T 梁桥一阶固有频率的影响分析

陶亮 吴昌霞

摘要：作为梁格体系简支T梁桥，桥面板的损伤破损必然会带来桥梁整体刚度的改变，进而影响桥梁的固有动力特性。文章利用有限元分析方法，分析了T梁翼板破损前后的桥梁一阶固有频率的变化，得出了T梁翼板破损对简支T梁桥固有频率的影响规律，并以实际工程中的多跨简支梁的固有频率测试为例，分别测试了桥面板无损伤跨和有损伤跨的一阶固有频率，分析桥面板损伤对一阶固有频率的影响。结果表明，单根T梁在跨中位置翼板全部破损的情况下，一阶固有频率较完好情况下降低15.63%。因此，在工程中利用简支T梁桥固有频率的变化，可以初步判断桥梁存在损伤的情况。

关键词：简支T梁;翼板破损;固有频率;动力测试

0 引言

随着桥梁实际运营时间的增长，桥梁的使用性能会逐渐衰减，出现不同程度的病害情况[1]。特别是在国内国道上，存在大概率的重车通行情况，会加快桥梁性能的衰减，极易产生破损等病害[2]。

钢筋混凝土简支T梁这种桥梁结构，在20世纪90年代左右的桥梁建设中大量采用。这种桥型主要特点是采用梁格体系，由多片T梁装配形成。装配过程中T梁间采用翼板湿接的方式进行连接，起到桥面板承载的作用。在重车的往复作用下，T梁翼板也是最容易发生损伤的位置，特别是靠近路面中线跨中的位置。这类损伤必然会引起桥梁动、静力特性的变化[3-4]。如何利用动力特性的变化来识别这类损伤，是近年国内外学者的研究热点[5]。有文献表明，桥梁的损伤会造成桥梁固有的动力特性的改变，如固有频率、振型等[6]。因此，研究桥梁的损伤对动力特性变化的影响程度，对利用实测动力特性识别桥梁的损伤具有重要意义。

本文以钢筋混凝土简支T梁桥为对象，研究分析T梁翼板损伤（即桥面板破损）对桥梁固有频率的影响，利用有限元方法，分别建立桥面板损伤与完好状态的计算模型，对比分析理论计算得出的固有频率变化，同时通过一座实际的多跨简支梁桥，对比测试完好跨与桥面板破损跨的实测固有频率，最终通过理论与实测两种方式来分析桥梁板损伤对简支T梁桥1阶固有频率的影响，以此为在工程中利用简支T梁桥固有频率变化识别桥梁损伤情况的应用提供依据。

1 简支梁的1阶固有频率理论计算方法

简支梁桥可根据力学简化为如图1所示的动力分析图。

由式（2）可以看出，在桥梁跨径不变的情况下，简支梁截面的抗弯刚度EI的变化，必然会带来固有圆频率ωn的变化。

对于T梁桥，T形截面翼板的破损，会导致截面惯性矩I的减小，进而会导致截面的抗弯刚度EI减小。因此，根据式（2），T梁的固有频率会因T形截面翼板的破损而减小。

2 翼板破损对1阶固有频率影响的有限元分析

2.1 有限元模型的建立

以一跨22m跨径的简支T梁桥为例，建立有限元模型，分析桥面板损伤对1阶固有频率的影响。整跨横向由7片T梁组成，中梁和边梁宽度相同，T梁间采用钢板焊接连接。每片T梁腹板底宽为0.36m，腹板高为1.30m，翼缘板一侧悬挑段宽为0.70m（T梁截面尺寸见图2）。梁体混凝土材料为C40混凝土。采用梁格法建立桥梁的有限元模型，分别模拟完好状态以及跨中两横隔板间、3#与4#T间桥面板全部破损两种情况。有限元模型如圖3所示。

2.2 损伤前后固有频率的计算结果及对比

由有限元计算，得出简支梁的1阶固有模态如图4所示。由此得到损伤前后固有频率的计算结果，如表1所示。

从有限元分析结果对比表中可以看出，本次模拟的桥面板破损程度下，1阶固有频率较未损伤情况下有明显的降低，降低比例达到15%。

3 翼板破损对1阶固有频率影响的实桥测试

3.1 桥梁概况

某大桥位于广西三江县境内三江至从江二级公路国道321线上，建成于1990年。桥梁全长330.94m，桥面总宽12.50m，上部结构桥孔布置为8.50m（现浇钢筋混凝土板梁）+14×22.20m（预制钢筋混凝土简支T形梁）+8.50m（现浇钢筋混凝土板梁），T梁支座采用板式橡胶支座。该桥中有14跨为跨径22.2m的钢筋混凝土简支T梁。桥梁横断面图如图5所示。

3.2 桥梁的破损情况

由于此桥建成时间较长，使用性能已发生衰变，同时国道上重车交通量大，造成多跨T梁的桥面板（翼板）出现不同程度破碎。其中6#跨T梁翼板受损最为严重，在跨中处两道横隔板、两片T梁之间的翼板全部破碎。而该桥梁14#跨及15#则为完好跨，未出现损伤。

3.3 1阶固有频率的测试及对比分析

根据前述的分析，6#跨T梁翼板受损后，其固有频率会产生下降，相比于完好状态的14#跨及15#跨，固有频率会明显变小。为此，采用脉动试验法对损伤跨和未损伤跨的固有频率进行测试识别。利用东华测试的DH610V加速度拾振器，采集到6#跨、14#跨及15#跨跨中处的振动加速度时程曲线。典型加速度时程曲线如图6所示。

利用加速度时程曲线，进行频谱分析，得到6#跨、14#跨及15#跨的振动频谱图，分别如图7、图8所示。进而识别出各跨的1阶固有频率，对比如表2所示。

从表2可以看出，桥面板破损严重的6#跨的1阶固有频率较完好的14#跨、15#跨的1阶固有频率有明显的降低，降低百分比达到15.63%，与表1中理论计算结果相吻合。因此，在工程中，简支T梁桥固有频率的变化，可以反映出桥梁的损伤情况。

4 结语

本文利用有限元分析方法，分析了桥面板破损前后的简支T梁桥1阶固有频率的变化，得出了T梁翼板破损对简支T梁桥固有频率的影响规律。利用实际工程对比测试的方法，实际测试了同等跨径和截面情况下，T梁翼板破损桥跨和完好桥跨的1阶固有频率，并对比分析了实际桥面板损伤对1阶固有频率的影响。最终得出如下结论：

（1）对于T梁桥，T形截面翼板的破损，会导致截面惯性矩的减小，进而会导致截面的抗弯刚度减小，引起T梁固有频率的明显降低。

（2）在跨中处两道横隔板、两片T梁之间的翼板全部破碎的情况下，简支T梁桥1阶固有频率有明显的降低，对比测试结果表明，降低百分比达到15.63%。

（3）简支T梁桥固有频率的变化，可以反映出桥梁的损伤情况。

参考文献：

[1]菅志伟.公路桥梁荷载试验检测在桥梁养护中的作用探讨[J].工程技术研究，2020，5（3）：83-84.

[2]陈晓东.公路桥梁动力特性试验研究[J].中国建材科技，2019，28（5）：104-106.

[3]漆荣剑.钢筋混凝土桥梁试验检测技术的应用[J].交通世界，2019（10）：78-79.

[4]王 霖.预应力混凝土梁桥加固及静动载试验评价研究[J].西部交通科技，2015（11）：64-67.

[5]吴向男，徐 岳，梁 鹏，等.桥梁结构损伤识别研究现状与展望[J].长安大学学报（自然科学版），2013，33（6）：49-58.

[6]刘义伦，时圣鹏，廖 伟.利用曲率模态识别桥梁损伤的研究[J].振动与冲击，2011，30（8）：77-81，96.