基于簡支板橋頻率振型的支座脫空分析

李佳凝 陳華安 王俊博 胡焱銘

摘 要：通過ANSYS軟件對簡支板橋在不同支座脫空工況進行模態模擬分析，得出頻率變化值隨支座脫空位置遠離邊梁而減小;橋梁振型在支座脫空時，脫空支座周圍振型會發生突變，且越遠離支座脫空處突變越小;當脫空支座越遠離邊梁，其振型突變值越小，本文的研究成果對同類型橋梁支座脫空判斷具有一定的參考意義。

關鍵詞：板橋;模型;支座;脫空;頻率振型

1 緒論

在對工程質量進行檢測時，經常會有梁體支座脫空現象發生，該現象的產生促使橋梁原有的受力支點發生變化，增加局部承受的壓力[1]，再由于荷載的反復作用，導致梁板產生振動，各梁間的荷載分配關系發生相應改變，梁體偏離了設計受力情況，最后使橋梁的使用性能受到破壞[2]。

國內外研究現狀中一般用壓力傳感器法和刀片法檢測橋梁支座是否脫空。壓力傳感器法[3]是將傳感器與支座一起放置，通過傳感器的壓力變化來判斷支座是否脫空，但該法要求壓力傳感器應在支座安裝時一并安裝，因此對于已建成的橋梁，壓力傳感器法并不適用。刀片法即在最不利荷載作用下，用刀片探入支座與橋梁之間，若通過則表示支座已經脫空。由于支座和橋梁均為表面粗糙的物體，若刀片能探入，則表明橋梁與支座之間的縫隙已經很大;然而即使不能探入，也不能說明支座沒有脫空，所以刀片法的誤差是不能忽略的。本文首先建立簡支板橋的有限元模型，通過改變支座受力面積來模擬支座不同的脫空情況，最后分析板橋頻率振型的變化規律來判斷支座脫空位置。

2 板橋結構有限元模型建模過程

本文通過ANSYS采用整體式模型對簡支板橋支座脫空的不同工況進行模態模擬分析，板橋的邊梁、中梁、邊梁，每片梁兩端各有兩個支座，板厚度全取為等厚度15cm，長4m，寬0.5m，中梁和兩邊梁完全相同，均勻配置體積率為1.62%的HRB335Φ12、Φ10和Φ8的鋼筋網。墊梁長為1.6m，寬為0.5m，高為0.25m，墊梁均勻配置體積率為1.23%的HRB335Φ10和Φ8的鋼筋網，每片梁兩端各有兩個支座。實體單元選擇Solid45，通過beam44單元模擬支座，本文所建立的有限元模型在滿足實驗所需精度的情況下，使單元數目降到最低，從而有效提高模擬計算速度;在節點編號時，盡量把支座節點與混凝土節點重合，便于模擬支座在不同工況下的脫空分析。

3 板橋支座脫空有限元分析

3.1 支座脫空不同工況的確定

本文以對稱性考慮橋梁左端出現支座脫空的情況，具體脫空情況如右表所示;由于模擬提取數據值較小，為對數據進行有效分析，將對所提取的數據歸一化處理，歸一化基準值為一階跨中1號編號位置位移。對支座未脫空進行模擬時，各節點相對位移如圖1所示。

3.2 不同工況計算結果分析

3.2.1 一個支座脫空

如圖3所示，為了研究位移變化率與支座脫空之間的關系，設計支座出現50%、75%、95%、100%脫空，由于當支座出現95%以上脫空時即相當于完全脫空，無法繼續使用，而當支座脫空小于95%時，其位移變化率不大于2000%，故設一脫空閾值2000%，即位移變化率大于2000%時則判定該位置出現支座脫空。因為本文研究板橋左端支座脫空情況，所以選擇左端支座所在橫截面的振型代替橋梁整體振型來進行分析。由圖2—圖5可知，脫空時梁的自振頻率變小，在脫空處的支座位移變化率明顯變大。當梁左端出現支座脫空情況時，脫空處節點的相對位移值與未脫空相比變化極其明顯。

由圖6—圖7可知，在2號支座脫空的情況下2號支座所在節點位移變化最大，其最大值為7150.23%，大于設定閾值2000%。但是相對于邊支座1號脫空時1號支座對應節點位移變化小，這表明邊支座脫空對結構的自振振型影響更大。

由圖9可知，其頻率變化值隨著脫空位置的移動而發生變化，且其值呈脫空位置向中梁移動而變小的趨勢，即邊梁支座相對于中梁支座脫空對橋梁頻率影響更大，且同一梁上支座靠近邊梁支座脫空對頻率影響值更大，由以上三種不同工況支座脫空可得出：支座脫空對支座所在位置及其周圍節點位移變化影響最大，且當離支座脫空處越遠，其影響越小。

3.2.2 兩個支座脫空

有限元模擬1，3號支座脫空情況如圖10，以上數據表明，當橋梁某一端某位置出現支座脫空時，其對支座所在周圍節點位移影響最大，而對遠離支座脫空點的節點位移影響很小，脫空支座所在截面振型的變化規律為脫空節點出現較大的位移變化。其余工況所得結論與工況一相同，故本文不做詳細陳述。

3.3 試驗結論

根據以上數據可知，在支座脫空位置，其對應節點會出現相對較大的位移，其振型在脫空處表現出突變，所以根據實驗測得數據便可判斷出支座脫空位置，且其脫空位置越靠近邊梁，其為位移越大，振型突變越明顯，其位移變化率在支座脫空處有突變，且其值大于閾值2000%。其頻率隨著支座脫空而減小，而脫空支座位置越靠近邊梁，頻率減小值越大。通過上模態變化規律，可以判斷支座的脫空情況，這為橋梁支座脫空問題提供了一種可能的方法，有一定的實際應用價值。

參考文獻：

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