病害對公路橋梁雙柱式墩動力特性影響研究

張 璇

(滄州市高速公路建設管理局,河北 滄州 061000)

大運量、高速度的交通流對線路的平順性和舒適性提出了更高的要求，同時對其下部的土建工程提出了更高的標準，因此“以橋代路”的技術手段在我國交通網中得以廣泛應用。隨著橋梁結構服役時間的增長，在其內部及表面不可避免出現了不同種類的病害。

作為橋梁的重要功能性結構之一，下部結構承受并傳遞上部結構的恒荷載以及各類活荷載。除列車荷載的反復沖擊作用外，特殊區域的下部結構還承受流水壓力、漂浮物沖擊力、風荷載或者地震力的破壞作用。當然，一方面已投入運營的橋梁可能由于早期設計規范偏低，較大的車流量超過了其負荷要求而破壞。另一方面，新建橋梁也可能面臨施工監管不善、材料強度不足等現象，因而其使用性能難以滿足要求。

鑒于以上原因，施工階段以及正常適用階段，橋梁下部結構會發生各種病害，病害的存在會導致橋墩頻率或振型等固有屬性的變化，而目前國內外關于這方面的研究還較少。

1 橋梁概貌及有限元模型建立

1.1 橋梁概貌

位于河北省滄州市境內的子牙河橋橫跨子牙河，為10×13 m混凝土箱梁結構，是205國道的一部分。它采用雙排樁柱式橋墩，橋墩直徑1.1 m，樁基直徑1.2 m，樁長30.5 m，下部結構均選用C40混凝土。

1.2 有限元模型建立

參考子牙河橋設計參數，基于Midas軟件建立全橋有限元模型，此處僅以1#～5#橋墩為例進行說明。采用beam188單元模擬蓋梁、墩身和樁基，利用水平彈簧Kh、垂直彈簧Kv和扭轉彈簧Kr模擬基礎約束。

基于上述有限元模型，分析架梁前1#橋墩，以及架梁后15#～18#水中橋墩的初始自振頻率如表1所示。

表1 無損狀態結構自振頻率(Hz)

2 病害對架梁前橋墩動力特性影響

工程實際中，公路橋梁中上部結構容易發生病害且更換頻率較高。當上部結構拆除后，此時對失去梁體約束的橋墩進行動力測試，更易獲得其固有屬性，進而評估結構狀態和安全性能，判斷橋墩是否需要維修，或者重建更換。鑒于此，本節以病害位置為控制變量，著重對架梁前橋墩的動力特性變化規律展開研究。

針對不同位置的橋墩結構性損傷，通過剛度下降法進行仿真。以7#橋墩作為研究對象，其單元劃分如圖1所示，其中單元1～14為蓋梁，單元15～30為墩身及樁基。

圖1 橋墩單元劃分

假設橋墩結構發生損傷時，剛度發生不同程度改變，而質量保持不變。為表征單元剛度的下降程度，于是引入橋墩剛度下降指數的概念。則橋墩單元j的損傷單元剛度為

(1)

鑒于雙柱式墩的對稱性，僅選取對稱軸一側結構為研究對象展開分析。選擇目標單元依次為15～22、5～7，設置3種損傷工況：工況1為單元剛度降低50%；工況2為單元剛度降低65%；工況3為單元剛度降低80%。以1#橋墩為例，其前三階自振頻率計算結果如圖2～圖4所示。

圖2 單元剛度下降時縱向頻率的下降率

由圖2可知，針對1階縱向振動，橋墩自振頻率的下降率均在墩底單元發生損傷時達到極值，且距離墩底越遠，敏感程度越低。此外，縱向頻率對蓋梁損傷敏感程度較低，單元5～單元7發生損傷時，下降率均在0.2以內。

由圖3可知，針對2階橫向振動，橋墩自振頻率的下降率均在墩頂單元發生損傷時達到極值，且距離墩頂越遠，敏感程度越低。此外，橫向頻率對蓋梁損傷較為敏感，損傷單元距離墩頂越近，橫向頻率變化越大。

圖4 單元剛度下降時扭轉頻率的下降率

由圖4可知，針對3階扭轉振動，橋墩自振頻率的下降率同樣在墩頂單元發生損傷時達到極大值，墩身17#單元位置為極小值。此外，扭轉頻率對蓋梁損傷亦較為敏感，損傷單元距離墩頂越近，扭轉頻率變化越大。

顯而易見，單元剛度對橋墩不同自振頻率的影響不同，這主要由振型的差異導致。其中，1階振型縱向以彎曲為主，而2階振型以橫向剪切為主，而扭轉振型比較復雜，介于兩者之間。對于各階頻率，單元損傷越大，頻率下降越大，且同種程度不同位置損傷，導致橋墩頻率下降率較高的單元，往往是該階振動下應變最大的位置，且是該階振動下最容易發生損傷的位置。

3 病害對正常服役橋墩動力特性影響

本節以正常服役狀態下結構為研究對象，選擇子牙河15#～18#水中橋墩，考慮了地基、橋墩以及樁基損傷，分析不同位置病害下橋墩的自振頻率變化規律。

3.1 地基承載能力的影響

橋梁下部結構通過樁土接觸傳遞荷載，當地基承載能力變化，必然對橋梁動力特性產生較大影響。鑒于此，本節以地基土體屬性為控制變量，模擬地基承載力的變化，進而分析不同承載能力時的橋梁自振頻率，見圖5。

圖5 不同損傷程度時橋墩自振頻率下降率

由圖5所示，隨著地基損傷程度的提高，橋墩橫向頻率下降率亦逐步提高。為避免地基承載力不足引起的安全問題，設計計算中通常考慮大小為2的安全系數，認為地基土強度臨界值為初始狀態的50%，對應本文11%的下降率。因此，為保證結構安全性能，以2階頻率下降率為10%作為地基承載能力欠缺的閾值。即當橫向頻率下降程度超過10%時，便認為地基不足以給橋梁提供足夠的承載力。

3.2 橋墩、樁基礎結構性損傷的影響

正常服役狀態時，橋墩不僅承受樁土的約束，還受上部結構梁體的作用。在梁體和和相鄰橋墩的耦合作用下，相比于裸墩，該墩的振動特性以及對病害的敏感程度亦必然改變。本節以損傷單元位置為控制變量，保證單元剛度下降程度為80%不變，進而分析不同損傷位置時橋墩自振頻率的變化規律。

從圖6中可以看出，與架梁前相比，架梁后橋墩對下部結構損傷的敏感程度明顯降低，這主要由墩梁耦合作用影響，但仍可依據自振頻率變化進行病害識別。同理，將自振頻率下降率下降限值建議為5%。

圖6 不同損傷位置時橋墩自振頻率下降率

4 結 論

(1)通過仿真分析，歸納出橋墩損傷位置，以及地基承載力等因素對橋墩自振頻率的影響規律，進而提出了頻率下降率在各典型病害下的建議限值。

(2)墩身結構性損傷對架梁前后橋墩的自振頻率均能產生明顯影響，但對裸墩影響更為明顯，評估效果亦更為準確。

(3)樁基病害，尤其是斷樁會大幅降低橋墩的自振頻率。當上部結構因病害進行更換時，可于裸墩狀態狀態對樁基病害進行判斷。