橫向連接系損傷的梁橋在行車荷載下的動力響應

周子筠　王程程

（武昌工學院土木工程學院　湖北武漢）

1　引言

目前，國內外的橋梁建筑都朝著大跨度、輕質材、小剛度的方向發展。而與此同時，過橋車輛的次數增大，車輛的種類增多，過橋車速也在加快，尤其是當中還存在著超重的大型工程運輸車輛。因此在橋梁整體響應中，車致動力響應所占的比重也在不斷增強。橋梁存在著由于設計或施工而產生的一些先天缺陷，并反復承受著來自車輪的沖擊和磨損，必然會使得橋梁的使用功能和行車服務質量隨時間的推移而漸漸變低[1]。由于長時間承受著極復雜的車輛動荷載的考驗，許多橋梁在運營不到幾年的時間就會出現不同程度的損壞甚至破壞的現象[3]。

T形梁橋在使用過程中出現了各種各樣的病害，其中以橫向聯結破損的表現最為突出。橫隔板常用的橫向連接一般是鋼板連接和扣環連接，這些橫向連接屬于受力集中的薄弱部位，受到施工技術和質量以及其他因素的影響，在行車荷載反復作用下很容易出現破損，比如連接鋼板表面混凝脫落、連接鋼板銹蝕甚至鋼板焊接縫疲勞開裂或者連接鋼筋斷裂，使橫隔板的工作性能無法得到發揮甚至喪失連接功能，導致梁與梁之間不能按原來的方式傳遞外部荷載。直接承受荷載作用的梁受力增大，非直接承受荷載作用的梁受力將會降低[2]。所造成的后果是橫向聯系薄弱、整體剛度偏小，受力梁在荷載作用下撓度較大，而非受力梁撓度較小，甚至出現“單梁受力”的缺陷，造成惡性循環，進而加重單片梁的其它病害程度，給行車安全帶來極大的隱患。因此，本文以一座三跨五梁式T形連續梁橋為依托，采用ANSYS對橋梁橫向連接系損傷前后的車致振動問題進行研究。

2　橋梁概況

本文進行公路橋梁車橋動力作用問題分析的橋梁總體布置示意圖見圖1，該橋為一座五梁式鋼筋混凝土連續梁橋，全長58.5m寬度8m，共有三跨，共設13根橫隔梁，主梁斷面圖和橫隔梁斷面如圖2～3所示。

圖1　橋梁總體布置示意圖

圖2　主梁斷面圖

圖3橫隔梁斷面圖

圖4所示為常用的主梁中橫隔梁的聯接構造。焊接鋼板預埋在橫隔梁靠近下部邊緣的雙側和頂部的翼緣板內；先將焊接鋼板與橫隔梁里的受力鋼筋焊接來固定位置。當T梁安裝就位后，再在預埋鋼板上加焊蓋接鋼板，使得各個T梁聯成整體，用以共同承受來自于橋面上行車的局部荷載。

圖4　連接構造示意圖

3　橋梁的動力特性分析

采用實體建模的方法，創建實體幾何模型，再運用ANSYS網格劃分工具對模型進行自由網格劃分，生成節點和單元。其中，橋梁主梁橫隔梁以及橋墩統一采用SOLID65單元；焊接鋼板及支座采用SOLID186單元；梁橋的活動支座處，支座與主梁的之間建立了面-面接觸對，即用TARGE170單元來模擬被當做“目標”面的剛性主梁的表面；用CONTA174單元來模擬被當做“接觸”面的柔性橡膠支座的表面。采用自由網格劃分方法，獲得橋梁有限元模型如圖5所示。

圖5　橋梁模型單元及約束

本文采用模態分析得出梁橋的前6階固有振動頻率，如表1。

表1　前六階固有振動頻率

4　無損傷橋梁在行車作用下橋梁跨中響應

本文采用完全瞬態分析的方法，對橋梁進行車輛荷載作用下的響應計算分析，不考慮結構的阻尼。為了分析方便，本文將討論三種比較典型的荷載工況組合情況。本文所采用車輛的荷載為55t，車速為10m/s，重力加速度為g=-9.8m/s2。將車輛模型等效為一個作用點的外荷載力。

4.1　工況一：全程只有一輛車通過橋梁

一輛車在半幅橋面上行駛，通過橋梁。

結構的初始位移、速度、加速度、節點荷載均為0。將車輛荷載加在橋面板右車道節點上，加載方向沿縱橋向從左向右。第一個荷載步：荷載加在加點1上；第二個荷載步：荷載加在節點2上。依次加載，直到車輛完全行駛出橋。采用自動時間步長。最后得出工況一橋梁跨中豎向及橫向位移時程曲線。

圖6　無損傷梁橋工況一跨中豎向位移時程曲線

4.2　工況二：兩輛車相對行駛通過橋梁

兩輛車在各自的半幅橋面上對向行駛，通過橋梁，全程作用線不交叉不重疊。

結構的初始位移、速度、加速度、節點荷載均為0。將車輛荷載分別加在橋面板雙向車道節點上，加載方向沿縱橋向相對加載。第一個荷載步：荷載加在加點1和節點61上；第二個荷載步：荷載加在節點2和節點62上。依次加載，直到兩輛車完全行駛出橋。采用自動時間步長。最后得出工況而橋梁跨中豎向及橫向位移時程曲線。

圖7　無損傷梁橋工況二跨中豎向位移時程曲線

4.3　工況三：兩輛車相向行駛通過橋梁

兩輛車在同半幅橋面上同相行駛通過橋梁，全程作用在一條直線上，兩車始終相相距12m。

結構的初始位移、速度、加速度、節點荷載均為0。將車輛荷載分別加在橋面板右車道節點上，加載方向沿縱橋向從左向右，依次上橋。第一個荷載步：荷載加在加點1上；第二個荷載步：荷載加在節點2上；依次加載至第13個荷載步，第二輛車上橋時刻：荷載加在節點13和節點1上；第14個荷載步：荷載加在節點14和節點2上。繼續加載，直到第二輛車完全行駛出橋。采用自動時間步長。最后得出工況而橋梁跨中豎向及橫向位移時程曲線。

圖8　無損傷梁橋工況三跨中豎向位移時程曲線

5　有損傷連續梁橋在行車作用下跨中響應計算

橫向連接系構造是結構與結構之間傳力必不可少的設置，而橋梁構件的連接處并不存在完全的連續性。當多個荷載連續通過橋梁時，由于位置和時間的不同，將引起橋梁跨中撓度的變化和疊加，因此跨中橫向連接處的破壞顯得尤為重要。因此，接下來將計算T形連續梁橋在跨中一處橫向連接系破壞情況下（如圖9），在3種行車工況作用下的響應。

圖9　橫向連接有損傷連續梁橋跨中橫向連接系示意圖

橋梁模型采用橫向連接系有損傷的橋梁進行ANSYS建模，車輛荷載模型依舊采用理想的常量力模型進行完全瞬態動力分析。三種工況的加載方式與上一節相同。得到橫向連接系有損傷的橋梁在三種工況下的跨中豎向位移時程曲線，如圖10～12所示。

圖10　有損傷梁橋工況一跨中豎向位移時程曲線

圖11　有損傷梁橋工況二跨中豎向位移時程曲線圖

圖12　有損傷梁橋工況三跨中豎向位移時程曲線

6　綜合對比

上文進行了橫向連接系無損傷梁橋在無跳車荷載作用下、橫向連接系有損傷梁橋在無跳車荷載作用下以及橫向連接系有損傷梁橋在有跳車荷載作用下的豎向橫向位移響應計算，可綜合歸納如圖13～15。

總體上來說，所有工況下的豎向位移響應曲線都具有一定的對稱性，動位移的最大值都出現在車輛行駛過跨中位置附近的時刻。在前2s即車輛行駛在第一跨時，同一種工況下車輛荷載模型也是一致的，時間歷程曲線基本重合。在工況一和工況二的第2～4s以及工況三的第2～5.2s時間內，即當有車輛駛入橋梁第二跨直至所有車輛駛離第二跨時，曲線出現了較大的分離，對于橋梁有損傷情況下相比橋梁無損傷情況，跨中響應增大了1～2mm，但是曲線起伏趨勢相似。在時間歷程的最后2s即只有車輛行駛在第三跨上的時間內，兩種模型的響應曲線再次基本歸于重合。

圖13　工況一只有一輛車行駛通過全橋情況下橋梁跨中豎向響應

圖14　工況二兩輛車相對行駛通過全橋情況下橋梁跨中豎向響應

圖15　工況三兩輛車相隔12m同向行駛通過全橋情況下橋梁跨中豎向響應

7　結論

通過上文的計算可以看出，當混凝土T形連續梁橋的橫向連接系出現破壞后，在行車荷載作用下橋梁的振動響應比無損傷橋梁下的振動更大。

而從整個行駛過程來看，在相同的荷載工況下，當車輛行駛在損傷橫向連接系所在跨即第二跨時，有損傷連續橋梁與無損傷連續梁橋相比，跨中豎向位移響應明顯增大；而當車輛未行駛上該跨或者離開該跨時，跨中豎向位移響應趨于一致，區別不大。

由此可見，橋梁構造對于整個橋梁系統而言是一個尤為重要的組成部分，橋梁震動計算及大量的橋梁病害的實際例子表明，來自橋梁構造上的缺陷和損傷是除去施工和材料之外，影響橋梁結構耐久性的決定因素。

[1]周 履.橋梁耐久性發展的歷史和現狀.橋梁建設，2000，4：58～61.

[2]趙俊，張偉偉，馬宏偉.移動載荷作用下簡支梁的動態響應及裂紋損傷識別研究.振動與沖擊，2011.

[3]蔣培文，賀拴海，宋一凡，王凌波.橋面局部凹陷時的連續梁車橋耦合振動分析.武漢理工大學學報，2011.