空心板梁桥铰缝损伤后动力特性数值模拟

王成炜 何文正

（1.重庆市市政设施运行保障中心，重庆 400015；2.重庆广播电视大学，重庆 400052）

0 引言

梁板之间的铰缝是直接关系到桥面系的整体受力性能和铺装层使用质量的重要部件，也是单片梁板确保其承受的荷载符合按弹性分配计算结果的必要前提。混凝土铰缝完全开裂或脱落将导致梁板横向连接失效，致使桥梁出现“受力单板”现象。桥梁单板受力使桥梁梁板失去横向连接，车辆的作用不能在整个桥梁中按“横向分布计算”结果分配，而是直接作用于某片梁上。因此过大的荷载导致梁体的混凝土和钢筋提前进入疲劳阶段[1]，受力裂缝先出现在桥梁下部的两侧，然后发展成横向的贯穿裂缝，并由一条发展为多条，桥梁出现向下挠曲，上部混凝土破碎和梁板失去承载功能，甚至出现断裂[2]。因此在整个空心板桥梁中，铰缝并不起眼却扮演了重要的角色，本文以重庆市内环城市快速路某空心板梁桥为例，采用有限元分析手段，对铰缝损伤后的动力特性进行了模拟分析。

1 工程概况

重庆市内环城市快速路某空心板梁桥位于沙坪坝区，桥梁的设计参数如下：空心板桥跨径12.6m，全桥由9 块预应力混凝土空心板组成，混凝土标号为C40，具体尺寸见图1、图2。

图1 简支梁空心板桥横截面布置（单位：cm）

图2 空心板桥横截面（单位：cm）

2 有限元模型的建立

该桥为铰接板桥，板与板之间依靠铰缝进行联系，铰缝只传递剪力不传递弯矩。故建模时必须把板与板之间的转动约束释放。空心板采用梁单元模拟，铰缝用Beam44 单元模拟，Beam44 单元通过设置Keyopt 值的属性可将J 节点转动全部释放，模型见图3。

本文结合有限元模型更新技术实现不同程度的铰缝损伤的模拟。由于铰缝的损伤体现在铰缝传递剪力能力的降低，可通过铰缝单元刚度的降低来实现。铰缝无损伤时，1 号梁作用一个单位荷载时，横向分布系数为0.307。除了无损伤的状态以外，还考虑以下几个工况：①铰缝损伤25%；②铰缝损伤50%；③铰缝损伤95%。

图3 空心板模型

3 计算结果

采用ANSYS 动力计算模块，在铰缝无损伤状态下，空心板梁的前五阶振型见图4。

图4 无损伤状态下的前五阶振型

各工况下空心板桥的自振频率变化以及振型描述如表1 所示。

从上述表1 结果可见，铰缝损伤对结构纵向竖弯振型的振动频率没有影响，而对横向竖向弯曲振型影响较大，其振动频率明显降低，并且随着损伤程度的增大，频率下降得越明显。即使铰缝只损伤25%的时候，第二阶频率也下降了5.74%。除此之外，铰缝的损伤也引起了振型的变化，从表中可以看出，铰缝损伤达到50%以后，第五阶振型由纵向反对称竖弯变成了横向正对称弯曲。

表1 自振频率比较

4 结论

为了揭示铰缝损伤后的空心板梁桥受力性能动力特性变化，本文采用有限元法对重庆市内环城市快速路某桥梁动力特性进行了模拟，得到了各工况下动力特性的变化，得出如下结论：

（1）铰缝的损伤明显导致了空心板自振频率的降低，并且随着损伤程度得增大，频率下降得越明显。

（2）通过频率的下降程度可以进行铰缝损伤的识别。