混凝土剛構橋梁損傷敏感性分析

李洋

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430014）

0 引言

伴隨著公路建設浪潮，我國也建設了大量的橋梁，在未來相當長的一段時間內，如何對既有橋梁進行科學管理和養護維修，成為各道路主管部門及整個橋梁工程行業關注的問題。

橋梁作為重要的道路交通節點，必須保證在正常使用狀態下的健康狀況。橋梁一旦損壞，輕則中斷交通，重則造成人員傷亡，引發巨額經濟損失，社會影響惡劣。如何有效地監測橋梁結構的穩定狀況，實時發現損傷情況，發出及時預警，成為目前的研究熱點。

工程結構在使用過程中經常出現各種損傷。結構對于損傷的承受能力大小稱為結構的易損性，承受能力越大表明結構越不容易受損，承受能力越小表明結構越容易受損。結構具有多種靜力和動力特性指標，模擬結構損傷進而分析比較不同指標對于損傷位置和程度的響應情況，即損傷敏感性分析。

1 模型建立

以利用有限元軟件建立空間模型為例，上部主梁結構劃分112個梁單元，下部墩臺結構劃分50個梁單元，全橋模型共162個梁單元。結合施工組織設計，對于懸臂施工，按照施工階段離散單元、墩臺頂面及控制截面位置適當細分。對于主梁單元，按照施工步驟劃分，每個懸臂施工階段劃分一個單元，對于墩頂及控制截面處適當細分。單元邊界條件根據實際模擬，主墩墩梁固結，過渡墩活動支座采用彈性連接模擬，如圖1所示。

2 結構正常使用動力特性

對于混凝土結構，正常使用階段高階振型很難被激勵，此次分析考慮前十階振型影響。以下列出正常使用階段結構的前十階自振頻率大小和部分振型示意（見表1），一階～五階結構振型如圖2所示。

表1 模態頻率和振型特征

3 敏感性分析指標

結構靜力特性指標主要包括應力和主梁撓度等，進行靜力分析主要是研究結構損傷對上述指標的影響。結構動力特性指標不同于結構靜力特性指標，指標類型多且不確定因素較多。基于模態曲率，選取適當的結構動力特性指標，分析其對結構損傷的敏感性[1]。

3.1 模態曲率

材料力學規定，淺梁中性軸的彎曲曲率公式為

式（1）中：ρ為曲率；M為彎矩；EI為梁的抗彎剛度。由式（1）可以看出，主梁剛度越大，曲率越小；主梁剛度越小，曲率越大。通過檢測主梁曲率的變化，可以反映主梁剛度變化。結構一旦出現損傷，損傷區域的主梁剛度會相應降低，進而曲率升高。因此，可以比較主梁曲率在損傷前后的變化，判斷結構損傷程度的大小和進行損傷定位[2]。

3.2 模態曲率差

通過提取結構模態曲率特征值，比較損傷前后模態曲率差值，定義振型模態曲率差絕對值

通過對比結構損傷前后，模態曲率差絕對值的變化，可以分析該指標對于結構損傷的敏感性[3]。

4 結構損傷狀態動力特性

混凝土結構發生損傷后，損傷位置的截面剛度下降，通過降低結構正常使用階段的截面剛度，模擬結構不同程度的損傷。通過降低單元截面剛度EI指標，分析損傷對上述損傷動力特性指標的影響[4]。

4.1 主跨跨中單元損傷

將主跨跨中兩個單元進行剛度折減，比較在不同程度損傷下結構動力特性變化（見圖3、圖4）[5]。

4.2 主跨四分點處單元損傷

將主跨1/4處兩個單元進行剛度折減，比較在不同程度損傷下結構動力特性變化（見圖5、圖6）。

4.3 邊跨四分點處單元損傷

將邊跨1/4處兩個單元進行剛度折減，比較在不同程度損傷下結構動力特性變化（見圖7、圖8）。

對比圖3～圖8分析結果可以發現，在結構損傷位置處，模態曲率數值會出現變化，并且變化程度隨著損傷程度加大而更加劇烈；在結構損傷位置處，模態曲率差絕對值會出現尖峰突變，其他位置迅速變小，隨著損傷程度加大，突變程度也越大。

5 結論

首先，通過建立一座混凝土連續剛構橋梁模型，選取適當的結構動力特性指標，分析其對結構損傷的敏感性。

其次，通過選取主梁模態曲率和模態曲率差指標，分析發現結構損傷均會對這兩種指標產生影響。隨著損傷程度的加大，在損傷處指標變化也加大，通過指標變化程度的大小可以反映結構損傷程度的大小。

最后，通過對比分析，結果表明對于損傷位置和程度的識別，主梁模態曲率差指標敏感性更好，可應用于實際工程中結構的損傷識別。