混凝土刚构桥梁损伤敏感性分析

李洋

（中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北 武汉 430014）

0 引言

伴随着公路建设浪潮，我国也建设了大量的桥梁，在未来相当长的一段时间内，如何对既有桥梁进行科学管理和养护维修，成为各道路主管部门及整个桥梁工程行业关注的问题。

桥梁作为重要的道路交通节点，必须保证在正常使用状态下的健康状况。桥梁一旦损坏，轻则中断交通，重则造成人员伤亡，引发巨额经济损失，社会影响恶劣。如何有效地监测桥梁结构的稳定状况，实时发现损伤情况，发出及时预警，成为目前的研究热点。

工程结构在使用过程中经常出现各种损伤。结构对于损伤的承受能力大小称为结构的易损性，承受能力越大表明结构越不容易受损，承受能力越小表明结构越容易受损。结构具有多种静力和动力特性指标，模拟结构损伤进而分析比较不同指标对于损伤位置和程度的响应情况，即损伤敏感性分析。

1 模型建立

以利用有限元软件建立空间模型为例，上部主梁结构划分112个梁单元，下部墩台结构划分50个梁单元，全桥模型共162个梁单元。结合施工组织设计，对于悬臂施工，按照施工阶段离散单元、墩台顶面及控制截面位置适当细分。对于主梁单元，按照施工步骤划分，每个悬臂施工阶段划分一个单元，对于墩顶及控制截面处适当细分。单元边界条件根据实际模拟，主墩墩梁固结，过渡墩活动支座采用弹性连接模拟，如图1所示。

2 结构正常使用动力特性

对于混凝土结构，正常使用阶段高阶振型很难被激励，此次分析考虑前十阶振型影响。以下列出正常使用阶段结构的前十阶自振频率大小和部分振型示意（见表1），一阶～五阶结构振型如图2所示。

表1 模态频率和振型特征

3 敏感性分析指标

结构静力特性指标主要包括应力和主梁挠度等，进行静力分析主要是研究结构损伤对上述指标的影响。结构动力特性指标不同于结构静力特性指标，指标类型多且不确定因素较多。基于模态曲率，选取适当的结构动力特性指标，分析其对结构损伤的敏感性[1]。

3.1 模态曲率

材料力学规定，浅梁中性轴的弯曲曲率公式为

式（1）中：ρ为曲率；M为弯矩；EI为梁的抗弯刚度。由式（1）可以看出，主梁刚度越大，曲率越小；主梁刚度越小，曲率越大。通过检测主梁曲率的变化，可以反映主梁刚度变化。结构一旦出现损伤，损伤区域的主梁刚度会相应降低，进而曲率升高。因此，可以比较主梁曲率在损伤前后的变化，判断结构损伤程度的大小和进行损伤定位[2]。

3.2 模态曲率差

通过提取结构模态曲率特征值，比较损伤前后模态曲率差值，定义振型模态曲率差绝对值

通过对比结构损伤前后，模态曲率差绝对值的变化，可以分析该指标对于结构损伤的敏感性[3]。

4 结构损伤状态动力特性

混凝土结构发生损伤后，损伤位置的截面刚度下降，通过降低结构正常使用阶段的截面刚度，模拟结构不同程度的损伤。通过降低单元截面刚度EI指标，分析损伤对上述损伤动力特性指标的影响[4]。

4.1 主跨跨中单元损伤

将主跨跨中两个单元进行刚度折减，比较在不同程度损伤下结构动力特性变化（见图3、图4）[5]。

4.2 主跨四分点处单元损伤

将主跨1/4处两个单元进行刚度折减，比较在不同程度损伤下结构动力特性变化（见图5、图6）。

4.3 边跨四分点处单元损伤

将边跨1/4处两个单元进行刚度折减，比较在不同程度损伤下结构动力特性变化（见图7、图8）。

对比图3～图8分析结果可以发现，在结构损伤位置处，模态曲率数值会出现变化，并且变化程度随着损伤程度加大而更加剧烈；在结构损伤位置处，模态曲率差绝对值会出现尖峰突变，其他位置迅速变小，随着损伤程度加大，突变程度也越大。

5 结论

首先，通过建立一座混凝土连续刚构桥梁模型，选取适当的结构动力特性指标，分析其对结构损伤的敏感性。

其次，通过选取主梁模态曲率和模态曲率差指标，分析发现结构损伤均会对这两种指标产生影响。随着损伤程度的加大，在损伤处指标变化也加大，通过指标变化程度的大小可以反映结构损伤程度的大小。

最后，通过对比分析，结果表明对于损伤位置和程度的识别，主梁模态曲率差指标敏感性更好，可应用于实际工程中结构的损伤识别。