基于简支板桥频率振型的支座脱空分析

李佳凝 陈华安 王俊博 胡焱铭

摘 要：通过ANSYS软件对简支板桥在不同支座脱空工况进行模态模拟分析，得出频率变化值随支座脱空位置远离边梁而减小;桥梁振型在支座脱空时，脱空支座周围振型会发生突变，且越远离支座脱空处突变越小;当脱空支座越远离边梁，其振型突变值越小，本文的研究成果对同类型桥梁支座脱空判断具有一定的参考意义。

关键词：板桥;模型;支座;脱空;频率振型

1 绪论

在对工程质量进行检测时，经常会有梁体支座脱空现象发生，该现象的产生促使桥梁原有的受力支点发生变化，增加局部承受的压力[1]，再由于荷载的反复作用，导致梁板产生振动，各梁间的荷载分配关系发生相应改变，梁体偏离了设计受力情况，最后使桥梁的使用性能受到破坏[2]。

国内外研究现状中一般用压力传感器法和刀片法检测桥梁支座是否脱空。压力传感器法[3]是将传感器与支座一起放置，通过传感器的压力变化来判断支座是否脱空，但该法要求压力传感器应在支座安装时一并安装，因此对于已建成的桥梁，压力传感器法并不适用。刀片法即在最不利荷载作用下，用刀片探入支座与桥梁之间，若通过则表示支座已经脱空。由于支座和桥梁均为表面粗糙的物体，若刀片能探入，则表明桥梁与支座之间的缝隙已经很大;然而即使不能探入，也不能说明支座没有脱空，所以刀片法的误差是不能忽略的。本文首先建立简支板桥的有限元模型，通过改变支座受力面积来模拟支座不同的脱空情况，最后分析板桥频率振型的变化规律来判断支座脱空位置。

2 板桥结构有限元模型建模过程

本文通过ANSYS采用整体式模型对简支板桥支座脱空的不同工况进行模态模拟分析，板桥的边梁、中梁、边梁，每片梁两端各有两个支座，板厚度全取为等厚度15cm，长4m，宽0.5m，中梁和两边梁完全相同，均匀配置体积率为1.62%的HRB335Φ12、Φ10和Φ8的钢筋网。垫梁长为1.6m，宽为0.5m，高为0.25m，垫梁均匀配置体积率为1.23%的HRB335Φ10和Φ8的钢筋网，每片梁两端各有两个支座。实体单元选择Solid45，通过beam44单元模拟支座，本文所建立的有限元模型在满足实验所需精度的情况下，使单元数目降到最低，从而有效提高模拟计算速度;在节点编号时，尽量把支座节点与混凝土节点重合，便于模拟支座在不同工况下的脱空分析。

3 板桥支座脱空有限元分析

3.1 支座脱空不同工况的确定

本文以对称性考虑桥梁左端出现支座脱空的情况，具体脱空情况如右表所示;由于模拟提取数据值较小，为对数据进行有效分析，将对所提取的数据归一化处理，归一化基准值为一阶跨中1号编号位置位移。对支座未脱空进行模拟时，各节点相对位移如图1所示。

3.2 不同工况计算结果分析

3.2.1 一个支座脱空

如图3所示，为了研究位移变化率与支座脱空之间的关系，设计支座出现50%、75%、95%、100%脱空，由于当支座出现95%以上脱空时即相当于完全脱空，无法继续使用，而当支座脱空小于95%时，其位移变化率不大于2000%，故设一脱空阈值2000%，即位移变化率大于2000%时则判定该位置出现支座脱空。因为本文研究板桥左端支座脱空情况，所以选择左端支座所在横截面的振型代替桥梁整体振型来进行分析。由图2—图5可知，脱空时梁的自振频率变小，在脱空处的支座位移变化率明显变大。当梁左端出现支座脱空情况时，脱空处节点的相对位移值与未脱空相比变化极其明显。

由图6—图7可知，在2号支座脱空的情况下2号支座所在节点位移变化最大，其最大值为7150.23%，大于设定阈值2000%。但是相对于边支座1号脱空时1号支座对应节点位移变化小，这表明边支座脱空对结构的自振振型影响更大。

由图9可知，其频率变化值随着脱空位置的移动而发生变化，且其值呈脱空位置向中梁移动而变小的趋势，即边梁支座相对于中梁支座脱空对桥梁频率影响更大，且同一梁上支座靠近边梁支座脱空对频率影响值更大，由以上三种不同工况支座脱空可得出：支座脱空对支座所在位置及其周围节点位移变化影响最大，且当离支座脱空处越远，其影响越小。

3.2.2 两个支座脱空

有限元模拟1，3号支座脱空情况如图10，以上数据表明，当桥梁某一端某位置出现支座脱空时，其对支座所在周围节点位移影响最大，而对远离支座脱空点的节点位移影响很小，脱空支座所在截面振型的变化规律为脱空节点出现较大的位移变化。其余工况所得结论与工况一相同，故本文不做详细陈述。

3.3 试验结论

根据以上数据可知，在支座脱空位置，其对应节点会出现相对较大的位移，其振型在脱空处表现出突变，所以根据实验测得数据便可判断出支座脱空位置，且其脱空位置越靠近边梁，其为位移越大，振型突变越明显，其位移变化率在支座脱空处有突变，且其值大于阈值2000%。其频率随着支座脱空而减小，而脱空支座位置越靠近边梁，频率减小值越大。通过上模态变化规律，可以判断支座的脱空情况，这为桥梁支座脱空问题提供了一种可能的方法，有一定的实际应用价值。

参考文献：

[1]陈福斌，丁茂瑞，吴健，等.某钢箱梁桥支座脱空原因分析及处治[J].中外公路，2010，30（4）：149-152.

[2]张绍宽.曲线梁桥支座脱空破坏与对策研究[J].山西建筑，2011，37（14）：176-177.

[3]周正茂，韩光强，田清勇.基于位移的桥梁支座脱空测试方法[J].公路交通科技，2012，（4）：85-90.

[4]冯文賢，陈新.基于实验复模态参数的有限元模型修正[J].航空学报，1999，20（1）：11-16.

[5]张挣鑫，刘黔会，黄方林.面向桥梁工程的响应面技术在有限元模型修正中的应用探讨[J].公路工程，2018，43（4）：145-149.

[6]王宁波，任伟新，肖祥.列车-桥梁耦合振动研究综述[J].力学进展，2012，42（5）：634-643.