既有損傷混凝土梁橋車橋耦動力分析

張 萍 張笑塵 賈 杰

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

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既有損傷混凝土梁橋車橋耦動力分析

張 萍 張笑塵 賈 杰

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

以公路混凝土梁橋為研究對象，分析了結構損傷及損傷演化的車輛作用下橋梁動力的工作性能，提出考慮結構損傷的車橋耦合振動多尺度分析方法，探討了該情況下橋梁動力行為的作用機理和影響規律。

混凝土梁橋，結構損傷，車橋耦合

0 引言

移動車輛荷載是公路橋梁運營期內的最主要動力荷載形式，現階段我國公路運輸業正朝著高速、重型化的方向發展，橋梁構造形式日趨復雜化、輕型化，移動車輛荷載引起的橋梁動力效應越發顯著。

橋梁結構損傷和外部環境的聯合作用會造成許多重大事故的發生。2001年四川宜賓小南門大橋發生橋面局部塌毀，動力車載的沖擊作用、長期重載交通及環境因素造成了這一后果；2009年黑龍江省呼蘭河大橋垮塌的直接原因是沖刷病害嚴重的基礎和車橋動力耦合效應的聯合作用。工程實例表明，結構損傷與車載下橋梁動力行為的耦合作用已成為導致橋梁結構性能持續劣化乃至發生惡性事故的重要因素之一[1]，既有損傷因素對車輛作用下橋梁動力工作性能的影響問題不容忽視。

目前，對大型橋梁可通過結構健康監測系統實現對結構狀態的實時監測，保障其運營安全，而對數量占優的中小型橋梁檢測評定規程主要采用荷載試驗和技術狀況檢測的方法。動力荷載試驗只能定性評價橋梁的整體性能；結構損傷對橋梁車載動力性能的影響問題在技術狀況評定中并未考慮。目前基于橋梁車載動力性能的結構評定理論框架尚未建立，結構損傷狀況對車橋耦合動力行為的影響還缺乏系統的研究。

我國公路橋梁設計通過沖擊系數來反映車輛荷載的動力效應。但該方法不能反映移動車輛對橋梁性能的動態影響。針對既有中小型橋梁結構，考慮結構損傷及損傷演化，開展車橋耦合振動的多尺度分析十分必要。

橋梁的維修和改造加固以及車載下結構動力性能的提升較少關注。對于亞健康橋梁的限載車型、車速、車輛作用形式等具體標準一般根據經驗確定，缺少基于結構動力性能的量化限載標準和依據，一定程度上影響了橋梁運營的安全可靠性以及經濟合理性。

現有公路橋梁車橋耦合振動的研究側重點在于車輛荷載作用形式、橋面幾何特征等因素對橋梁動力響應的影響、考慮地震或風荷載作用下的車橋系統動力響應等問題[2]。而對于既有橋梁各種損傷狀況對車載下橋梁動力工作性能的影響規律，以及結構損傷、損傷演化與車橋動力行為的相互作用機理等方面還未有系統深入的研究，相關的基礎研究工作亟待開展。

1 國內外研究現狀

1.1 車輛與公路橋梁相互作用的研究現狀和分析

車輛與橋梁動力相互作用的早期研究主要采用動力試驗和古典解析方法來進行，電子計算機和有限元方法的發展使車橋動力相互作用分析進入了系統動力學研究的階段。

既有車輛作用下公路橋梁動力行為的研究集中在：

1)車輛作用形式對橋梁結構動力響應的影響分析，考慮的因素包含了不同的車輛動力變化參數；

2)橋面平整度、結構阻尼和結構形式等等對車橋振動響應的影響；

3)車橋耦合振動問題求解方法的研究[3]。

國外相關研究的因素主要涉及：路面平整度被視為平穩隨機過程時，車輛特征對簡支梁的車橋振動響應；隨機車型的組合對橋梁結構的沖擊效應；橋梁跨度對結構的沖擊系數；大跨度連續箱梁橋的車橋耦合作用[4]；預應力連續梁橋和斜拉橋在移動車輛下的振動行為特征。

我國對公路橋梁的車橋耦合振動研究已廣泛開展。國內學者分別采用了結構力學、隨機過程理論、模態分析方法、車橋耦合振動方程、調制阻尼器分析了不同橋型和不同車輛自身因素下的公路橋梁動力行為的變化。

目前橋梁設計主要借助“沖擊系數”公式來考慮車輛動力效應，但各國規范給出的沖擊系數經驗公式相差很大[5]。總體沖擊系數很難準確描述橋梁不同構件所受到的沖擊作用，實際橋梁的部分構件受到的局部沖擊效應可能遠大于結構整體。目前，國內橋梁結構的局部構件出現的開裂、損傷等安全上的重大隱患正好說明這一問題。

1.2 損傷結構動力性能的研究現狀和分析

現階段針對既有損傷結構動力性能的研究主要包括：

1)結構損傷的數值模擬方法；

2)損傷結構的動力特性；

3)面向損傷識別的損傷結構動力響應研究。其中，裂縫/裂紋損傷是研究的重點。

針對橋梁典型病害對結構性能的研究主要包括：

1)基礎沖刷對橋梁結構靜動力性能的影響；

2)沉降差在橋梁中產生的動力放大系數隨著跨徑增大而逐漸減小；

3)連接條件的變化對移動荷載下橋梁動力響應的影響[6]。

目前損傷結構動力性能的研究主要局限于梁、板等簡單結構，但公路混凝土梁橋的運營過程中常見損傷涵蓋了開裂、銹蝕、構件破損、變位、結構體系變異等多種類型，綜合考慮多損傷聯合作用的橋梁動力性能研究還未見報道。目前關于橋梁病害對橋梁車載動力沖擊效應影響的研究還難以實現橋梁動力行為的多尺度描述。

2 存在的主要問題

總結分析國內外與本項目相關方向的研究現狀，我們發現存在如下幾點問題：

1)車橋相互作用的相關研究對于結構局部動力行為研究較少。現有的分析模型難以反映車輛荷載下橋梁結構總體、局部構件和結構細觀尺度層面的動力行為特征。基于多級結構分析理論，有效平衡計算代價和模型規模的關系，構建可以描述車橋系統多尺度動力行為的動力分析方法非常必要。

2)移動車載下橋梁結構動力行為特征是運營橋梁動力工作性能的重要標志，現有的研究中，關于橋梁自身健康狀況對車橋系統動力行為的影響較少考慮。橋梁各處損傷隨著運營年限的增長而不斷出現。目前有關結構損傷與車載下橋梁動力性能的相互作用機理和規律的研究開展較少。

3)現有的損傷結構動力行為研究，主要以發展結構損傷識別理論和方法為最終目的，關注的損傷類型和結構形式還比較單一。面向結構損傷后的橋梁結構車載動力性能的研究還較少。開展結構損傷、損傷演化與既有橋梁結構車載動力性能間的相互作用機理和影響規律的系統研究，將從結構動力性能角度為在役橋梁動力評定、科學維護、動力加固和改造等問題提供理論依據和指導意見。

根據目前考慮結構健康狀況的車橋耦合振動研究還較欠缺的現狀，開展考慮結構損傷的車橋耦合動力行為的系統研究具有重要的理論意義和工程應用價值。

3 可行的研究方向

以公路混凝土梁橋為研究對象，應用數值模擬、理論分析和試驗研究方法，開展面向結構損傷及損傷演化的車輛作用下既有橋梁動力行為的系統研究，提出考慮結構損傷的車橋耦合振動多尺度分析方法，研究結構損傷對車載下橋梁動力行為的影響規律和機理，從動力工作性能角度為既有橋梁的科學維護、舊橋改造加固設計和亞健康危舊橋梁運營限載標準確定等工程問題的精細量化處理提供理論依據和指導意見，推動橋梁動力性能評定理論和方法向定量化和精細化方向發展。可行的研究方向如下。

3.1 面向車橋耦合振動的公路混凝土梁橋典型損傷數值模擬

1)公路混凝土梁橋典型損傷的數值模擬。針對具體損傷類型，聯合損傷力學原理與有限元方法，提出數值模擬策略和方法；根據損傷類別和損傷演化后情況，考慮車橋耦合動力行為分析的特點和需要，提出適合于車橋振動分析的混凝土梁橋典型損傷的數值模擬方法和計算模型。

2)通過國內外已有研究的試驗數據和理論分析結果對損傷模擬方法進行驗證。

3.2 基于多級結構分析理論的公路混凝土梁橋車橋耦合振動分析方法

1)建立車橋耦合振動的多尺度分析方法。提出基于多級結構分析理論的混凝土梁橋多尺度數值模擬方法；建立公路橋梁典型車輛空間分析模型和車輛作用形式模型；提出具有較高計算效率和精度，可反映結構局部細節、構件及整體動力行為的車橋耦合振動的多尺度分析方法和計算模型；編制開發專門的分析程序。2)基于多座 典型橋梁工程的動力試驗測試驗證分析方法和計算模型的正確性和適用性。

3.3 考慮結構損傷的公路混凝土梁橋車橋耦合動力行為研究

1)建立考慮結構損傷的車橋耦合動力行為多尺度分析方法。以車橋耦合振動多尺度分析方法和所建立的典型損傷數值模型為基礎，提出可融合單一損傷和多種損傷的混凝土梁橋車橋耦合振動多尺度分析方法，建立計算模型并編制專門的分析程序。

2)通過既有舊橋動力試驗和實驗室模型試驗等手段，對分析方法、數值模型和計算程序進行驗證。

3)車橋動力行為對結構損傷的多維敏感性研究。考慮車輛作用形式特征、結構損傷狀態和多損傷狀況等多因素的聯合作用，進行車載下橋梁動力行為對結構損傷的多維敏感性的系統分析，為后續研究奠定基礎。

4)結構損傷對車橋動力行為的作用機理和影響規律研究。以多維敏感性分析結果為基礎，選取典型橋型，考慮多因素影響，利用數值模擬分析方法，系統研究結構損傷對車橋動力行為的作用機理和影響規律，從動力工作性能角度為既有橋梁的科學維護、舊橋狀態評估、加固改造設計和亞健康橋梁限載標準確定等工程問題的精細量化處理提供理論依據和指導意見。

3.4 基于損傷演化的車輛作用下混凝土梁橋動力性能研究

1)建立基于車載下橋梁動力性能的橋梁結構評定理論框架。基于車載下橋梁動力性能的全新角度，提出結構損傷狀態的分級標準和結構損傷評定量度，針對橋梁中常見的多損傷聯合作用情況，采用綜合評價分析方法，建立基于車載動力工作性能的橋梁結構狀態評定理論框架。2)考慮結構損傷演化的橋梁結構“時變沖擊系數”研究。針對結構損傷演化時變特性，提出“時變沖擊系數”的概念，以結構損傷對橋梁車載動力行為的影響規律和敏感性分析的研究結果為基礎，研究面向損傷后的橋梁結構時變沖擊系數的計算方法。

4 結語

文章通過對車橋相互作用和損傷結構動力性能現狀的分析，發現了研究中存在的問題，并以公路混凝土梁橋為對象，明確了未來的可行性研究方向，主要包括：面向車橋耦合振動的公路混凝土梁橋典型損傷數值模擬；基于多級結構分析理論的公路混凝土梁橋車橋耦合振動分析方法；考慮結構損傷的公路混凝土梁橋車橋耦合動力行為研究；基于損傷演化的車輛作用下混凝土梁橋動力性能研究。這將有利于完善橋梁設計，解決橋梁使用中存在的問題。

[1] 肖盛燮.橋梁承載力演變理論及其應用技術[M].北京：科學出版社，2009.

[2] 李小珍，張黎明，張 潔.公路橋梁與車輛耦合振動研究現狀與發展趨勢[J].工程力學,2008,25(3):230-240.

[3] 李慧樂，夏 禾，張 楠，等.基于車橋耦合動力分析的橋梁動應力計算方法[J].中國鐵道科學，2015,36(1):68-74.

[4] 許士強，陳水生，桂水榮.公路橋梁汽車沖擊系數對比研究[J].市政工程設計,2006(5):24-28.

[5] Sang-Youl Lee, Sung-Soon Yhim. Dynamic behavior of long-span box girder bridges subjected to moving loads: Numerical analysis and experimental verification[J]. International Journal of Solids and Structures，2005(42):5021-5035.

[6] Hongan Xu, Wen L.Li. Dynamic behavior of multi-span bridges under moving loads with focusing on the effect of the coupling conditions between spans[J].Journal of Sound and Vibration，2008(312):736-753.

Study on dynamic behavior of vehicle-bridge coupling in existing concrete injured girder bridges

Zhang Ping Zhang Xiaochen Jia Jie

(CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040，China)

In order to carry out the systematic analysis of most highway concrete bridges’ dynamic work performance under moving vehicular load with structural damages and their evolution, we put forward multi-scale analysis method and feasibility of vehicle-bridge coupling vibration with structural damages and analyze mechanism and influence law of bridges’ dynamic behavior in this case.

concrete girder bridges, structural damage, vehicle-bridge coupling

1009-6825(2016)13-0191-03

2016-02-27

張 萍(1995- )，女，在讀本科生； 張笑塵(1995- )，男，在讀本科生； 賈 杰(1980- )，男，博士，副教授

U441

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