吊桿損傷對系桿拱橋自振特性的影響

何文正，呂延暉

（1.重慶廣播電視大學，重慶 401520；2.重慶黔江區住房和城鄉建設委員會，重慶 409000）

0 引言

系桿拱橋是由系桿承擔主拱水平推力的橋型，由于其外形美觀、跨越能力大、對地基要求不高，被廣泛應用于現代橋梁建設中（見圖1和圖2），特別在江南地區，由于河網密集、有航道要求、部分橋址地質情況較差，系桿拱橋在此類地區有廣泛的應用。但是伴隨著經濟的飛速發展，交通量有大幅提升，加之服務年限的延長及施工缺陷等原因，相當數量的系桿拱橋出現了構件老化開裂、吊桿損傷等病害，這些病害嚴重影響了橋梁的安全性和耐久性，嚴重者甚至導致橋梁的整體垮塌。根據目前的統計，系桿拱橋的垮塌基本上都是由于吊桿的斷裂所致，因此，吊桿病害的識別對保證此類橋梁的安全及其重要，如能采用簡便有效的方法及時準確識別吊桿損傷位置和程度，就可以及時對其更換或維護，這樣不但可以避免嚴重事故的發生，還可以節省大量維修加固費用。通過動力特性變化對系桿拱橋進行損傷檢測識別是一個新穎的課題，具有重要的理論意義和良好的應用前景。

圖1 涌溫鐵路雁蕩山特大橋

圖2 哈大客運專線新開河特大橋

目前，系桿拱橋的動力響應問題研究已經取得一系列的成果。施洲等[1]采用脈動法測試了某拱橋的自振特性，獲得了各工況下橋跨結構的撓度時程響應。歐耀文等[2]進行了某大跨度鋼管混凝土系桿拱橋靜動載試驗，評價了橋梁工作狀態。吳慶雄等[3]開展了系桿拱橋車致振動響應測試，重點分析了拱肋和橋面的加速度、速度動力響應和沖擊系數。陳寶春等[4]分析了撓度限值對鋼管混凝土拱橋振動的控制作用。Morcou 等[5]通過有限元分析研究了吊桿/拱肋連接處以及拱肋面外穩定性。張燕青[6]發現吊桿力分布將直接影響到系桿拱橋結構內力分布的均勻性。Ju 等[7]建立了車橋耦合振動有限元分析模型，研究了系桿拱橋的共振頻率。施穎等[8]采用有限單元法研究了人群荷載下系桿拱橋消能減振裝置對振動的控制效果。徐岳震[9]通過對比成橋前后吊桿力變化，發現吊桿力受活載影響較大。

本文主要目的在于完成基于振動測試的現役剛性系桿拱橋損傷檢測技術研究的部分先導工作，基于數值分析手段，分析剛性系桿拱橋的吊桿遭受損傷后的動力學特征參數變化，為下一步工作提供數據。

1 數值模擬

本次模擬分析以浙江湖州某剛性系桿拱橋為工程背景，該橋為下承式預應力混凝土系桿拱橋，跨徑76.6m，計算矢高15.32m，拱軸線為拋物線，拱肋截面為圓形截面，截面外徑800mm，橫向兩條拱肋。系梁為120×60cm 矩形斷面預應力混凝土系梁，吊桿為柔性平行鋼絲束。

由于吊桿對系桿拱橋整體安全性極為重要，為了分析吊桿結構損傷對動力特性的影響，本文以吊桿為研究對象，考慮不同的損傷工況，用ANSYS 建立了有限元分析模型，通過吊桿剛度折減模擬鋼絲斷裂或桿件應力損失，損傷工況如下。

（1）跨中附近吊桿損傷

工況1：無損傷；

工況2：跨中附近吊桿損傷40%；

工況3：跨中附近吊桿斷裂。

（2）端部吊桿損傷

工況1：無損傷；

工況2：端吊桿損傷40%；

工況3：端吊桿斷裂。

2 分析結果

整理計算結果，損傷導致的自振頻率變化見表1，各工況下拱肋的曲率模態差曲線見圖3和圖4所示。

表1 自振頻率變化

從計算結果可以看出，吊桿發生損傷后，各階自振頻率有一定的下降，但不明顯，頻率指標對吊桿損傷不敏感。但是從圖3和圖4可知，曲率模態差曲線能較好地顯示損傷的位置，且能夠對損傷程度進行定性判斷，曲率模態差指標對吊桿損傷較為敏感。

圖3 跨中吊桿損傷曲率模態差

圖4 端吊桿損傷曲率模態差

3 結論

為了揭示剛性系桿拱橋吊桿損傷后的動力特性變化，本文采用有限元法對湖州某混凝土剛性系桿拱橋動力特性進行分析，分析了四種吊桿損傷工況下橋梁動力特性變化，得到如下結論：

（1）吊桿損傷會導致系桿拱橋自振頻率的下降，損傷程度越大則下降幅度越大，但是總體上頻率對吊桿損傷不敏感；

（2）曲率模態差曲線能較好地顯示損傷的位置，且能夠對損傷程度進行定性判斷。