病害对公路桥梁双柱式墩动力特性影响研究

张 璇

(沧州市高速公路建设管理局,河北 沧州 061000)

大运量、高速度的交通流对线路的平顺性和舒适性提出了更高的要求，同时对其下部的土建工程提出了更高的标准，因此“以桥代路”的技术手段在我国交通网中得以广泛应用。随着桥梁结构服役时间的增长，在其内部及表面不可避免出现了不同种类的病害。

作为桥梁的重要功能性结构之一，下部结构承受并传递上部结构的恒荷载以及各类活荷载。除列车荷载的反复冲击作用外，特殊区域的下部结构还承受流水压力、漂浮物冲击力、风荷载或者地震力的破坏作用。当然，一方面已投入运营的桥梁可能由于早期设计规范偏低，较大的车流量超过了其负荷要求而破坏。另一方面，新建桥梁也可能面临施工监管不善、材料强度不足等现象，因而其使用性能难以满足要求。

鉴于以上原因，施工阶段以及正常适用阶段，桥梁下部结构会发生各种病害，病害的存在会导致桥墩频率或振型等固有属性的变化，而目前国内外关于这方面的研究还较少。

1 桥梁概貌及有限元模型建立

1.1 桥梁概貌

位于河北省沧州市境内的子牙河桥横跨子牙河，为10×13 m混凝土箱梁结构，是205国道的一部分。它采用双排桩柱式桥墩，桥墩直径1.1 m，桩基直径1.2 m，桩长30.5 m，下部结构均选用C40混凝土。

1.2 有限元模型建立

参考子牙河桥设计参数，基于Midas软件建立全桥有限元模型，此处仅以1#～5#桥墩为例进行说明。采用beam188单元模拟盖梁、墩身和桩基，利用水平弹簧Kh、垂直弹簧Kv和扭转弹簧Kr模拟基础约束。

基于上述有限元模型，分析架梁前1#桥墩，以及架梁后15#～18#水中桥墩的初始自振频率如表1所示。

表1 无损状态结构自振频率(Hz)

2 病害对架梁前桥墩动力特性影响

工程实际中，公路桥梁中上部结构容易发生病害且更换频率较高。当上部结构拆除后，此时对失去梁体约束的桥墩进行动力测试，更易获得其固有属性，进而评估结构状态和安全性能，判断桥墩是否需要维修，或者重建更换。鉴于此，本节以病害位置为控制变量，着重对架梁前桥墩的动力特性变化规律展开研究。

针对不同位置的桥墩结构性损伤，通过刚度下降法进行仿真。以7#桥墩作为研究对象，其单元划分如图1所示，其中单元1～14为盖梁，单元15～30为墩身及桩基。

图1 桥墩单元划分

假设桥墩结构发生损伤时，刚度发生不同程度改变，而质量保持不变。为表征单元刚度的下降程度，于是引入桥墩刚度下降指数的概念。则桥墩单元j的损伤单元刚度为

(1)

鉴于双柱式墩的对称性，仅选取对称轴一侧结构为研究对象展开分析。选择目标单元依次为15～22、5～7，设置3种损伤工况：工况1为单元刚度降低50%；工况2为单元刚度降低65%；工况3为单元刚度降低80%。以1#桥墩为例，其前三阶自振频率计算结果如图2～图4所示。

图2 单元刚度下降时纵向频率的下降率

由图2可知，针对1阶纵向振动，桥墩自振频率的下降率均在墩底单元发生损伤时达到极值，且距离墩底越远，敏感程度越低。此外，纵向频率对盖梁损伤敏感程度较低，单元5～单元7发生损伤时，下降率均在0.2以内。

由图3可知，针对2阶横向振动，桥墩自振频率的下降率均在墩顶单元发生损伤时达到极值，且距离墩顶越远，敏感程度越低。此外，横向频率对盖梁损伤较为敏感，损伤单元距离墩顶越近，横向频率变化越大。

图4 单元刚度下降时扭转频率的下降率

由图4可知，针对3阶扭转振动，桥墩自振频率的下降率同样在墩顶单元发生损伤时达到极大值，墩身17#单元位置为极小值。此外，扭转频率对盖梁损伤亦较为敏感，损伤单元距离墩顶越近，扭转频率变化越大。

显而易见，单元刚度对桥墩不同自振频率的影响不同，这主要由振型的差异导致。其中，1阶振型纵向以弯曲为主，而2阶振型以横向剪切为主，而扭转振型比较复杂，介于两者之间。对于各阶频率，单元损伤越大，频率下降越大，且同种程度不同位置损伤，导致桥墩频率下降率较高的单元，往往是该阶振动下应变最大的位置，且是该阶振动下最容易发生损伤的位置。

3 病害对正常服役桥墩动力特性影响

本节以正常服役状态下结构为研究对象，选择子牙河15#～18#水中桥墩，考虑了地基、桥墩以及桩基损伤，分析不同位置病害下桥墩的自振频率变化规律。

3.1 地基承载能力的影响

桥梁下部结构通过桩土接触传递荷载，当地基承载能力变化，必然对桥梁动力特性产生较大影响。鉴于此，本节以地基土体属性为控制变量，模拟地基承载力的变化，进而分析不同承载能力时的桥梁自振频率，见图5。

图5 不同损伤程度时桥墩自振频率下降率

由图5所示，随着地基损伤程度的提高，桥墩横向频率下降率亦逐步提高。为避免地基承载力不足引起的安全问题，设计计算中通常考虑大小为2的安全系数，认为地基土强度临界值为初始状态的50%，对应本文11%的下降率。因此，为保证结构安全性能，以2阶频率下降率为10%作为地基承载能力欠缺的阈值。即当横向频率下降程度超过10%时，便认为地基不足以给桥梁提供足够的承载力。

3.2 桥墩、桩基础结构性损伤的影响

正常服役状态时，桥墩不仅承受桩土的约束，还受上部结构梁体的作用。在梁体和和相邻桥墩的耦合作用下，相比于裸墩，该墩的振动特性以及对病害的敏感程度亦必然改变。本节以损伤单元位置为控制变量，保证单元刚度下降程度为80%不变，进而分析不同损伤位置时桥墩自振频率的变化规律。

从图6中可以看出，与架梁前相比，架梁后桥墩对下部结构损伤的敏感程度明显降低，这主要由墩梁耦合作用影响，但仍可依据自振频率变化进行病害识别。同理，将自振频率下降率下降限值建议为5%。

图6 不同损伤位置时桥墩自振频率下降率

4 结 论

(1)通过仿真分析，归纳出桥墩损伤位置，以及地基承载力等因素对桥墩自振频率的影响规律，进而提出了频率下降率在各典型病害下的建议限值。

(2)墩身结构性损伤对架梁前后桥墩的自振频率均能产生明显影响，但对裸墩影响更为明显，评估效果亦更为准确。

(3)桩基病害，尤其是断桩会大幅降低桥墩的自振频率。当上部结构因病害进行更换时，可于裸墩状态状态对桩基病害进行判断。