桁架桿損傷對預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉桁架T 構(gòu)橋的影響

孫國偉，吳貴賢

（甘肅公路航空旅游研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉桁架T 構(gòu)橋梁兼具斜拉橋、連續(xù)梁橋、桁架橋三種橋型的一些特點(diǎn)，也克服了以上三類橋型的一些缺點(diǎn)，國內(nèi)在20 世紀(jì)70 年代才開始建造該類橋梁，是目前較為新型的橋梁結(jié)構(gòu)形式。預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉桁架T 構(gòu)橋橋面在豎向荷載作用下，桁架主要承受軸力，上弦桿類似于斜拉索以受拉為主，腹桿在不同的位置類似于其他桁架結(jié)構(gòu)受壓力，下弦桿即主梁，承受一定的彎矩和壓力作用。瑞士和日本使用鋼筋混凝土桁架桿件代替斜拉索的辦法來解決斜拉索易疲勞、易腐蝕、剛度小的缺陷，催生了混凝土桁架橋的出現(xiàn)。現(xiàn)已建成運(yùn)營的典型混凝土桁架橋梁有瑞士的甘特橋、日本小川橋、中國的港口大橋等。

對于預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉桁架T 構(gòu)橋的研究，開展了一些研究工作。夏永明[1]介紹了斜拉桁架的三種體系的受力特性和經(jīng)濟(jì)性。王達(dá)[2]以宜昌市秭歸縣卡子灣大橋?yàn)檠芯繉ο螅柚邢拊绦颍瑢︻A(yù)應(yīng)力斜拉下承式桁架橋的收縮徐變、溫度應(yīng)力、動力特性、穩(wěn)定性等受力特性和施工控制方法進(jìn)行了研究。杜飛[3]以小溪塔大橋?yàn)楸尘埃瑢υ摌虻氖┕み^程進(jìn)行了仿真，分析了預(yù)應(yīng)力、桁架自重、混凝土收縮徐變、溫度等對斜拉桁架橋梁撓度、應(yīng)力以及剛度的影響性。陳科[4]對預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉桁架橋的受力特性進(jìn)行了分析，并且以洪塘大橋?yàn)槔瑢π崩旒躎 構(gòu)的主要受力構(gòu)件進(jìn)行了力學(xué)分析，對T構(gòu)的病害進(jìn)行了理論和敏感性分析，得出了敏感性排序，并編制了加固方案。謝巍[5]對跨中鉸接的預(yù)應(yīng)力混凝土桁架T 構(gòu)進(jìn)行了研究，對鉸接結(jié)構(gòu)對橋梁的影響及受力特性進(jìn)行研究，并對剪力鉸結(jié)構(gòu)提出了改進(jìn)方案。

綜上所述，預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉桁架T 構(gòu)橋主要的病害形式為桁架桿件損傷。對于預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉桁架橋的研究主要集中在檢測與狀態(tài)評估[6]、受力特性與施工控制、剪力鉸的影響及受力分析、病害機(jī)理和維修加固等方面。而對于桁架桿件損傷甚至失效沒有及時(shí)更換下結(jié)構(gòu)的靜力和動力響應(yīng)的研究較為匱乏，損傷是橋梁結(jié)構(gòu)中常見的一種病害形式[7]，而該類橋梁受力較普通桁架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其桁架桿件在受到環(huán)境的靜力和動力作用時(shí)，往往容易出現(xiàn)單個桿件或多個桿件的損傷，甚至失效，嚴(yán)重影響該類橋梁的安全性和使用壽命。下面將對斜拉桁架T 構(gòu)橋建立有限元模型，設(shè)置損傷或失效的不同工況，對比分析該橋在損傷狀態(tài)和未損傷狀態(tài)下對結(jié)構(gòu)撓度和頻率的影響，為該類橋梁的健康診斷提供參考。

1 橋梁有限元模型建立

1.1 橋梁簡介

該橋跨徑布置為60m+120m+60m，邊跨邊墩為拉壓支座。橋墩下部構(gòu)造為預(yù)應(yīng)力混凝土V 肢空心墩，V 肢上部和三角形桁架固結(jié)，下部和鋼筋混凝土空心墩固結(jié)。斜拉桁架T 構(gòu)由斜拉桁架和Y 型墩構(gòu)成。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用C55 混凝土，橋墩V 肢采用50 混凝土，橋墩墩身采用C40 混凝土，橋面鋪裝采用C30 混凝土。預(yù)應(yīng)力鋼束標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為Ry=1860Mpa。

1.2 有限元模型

采用Midas Civil 有限元軟件建立全橋模型，如圖1 所示。邊墩位置為一般支撐約束，墩底固結(jié)，僅考慮自重和預(yù)應(yīng)力荷載。

圖1 有限元模型圖

對桿件位置用節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號，如：桿1-2 代表由節(jié)點(diǎn)1 和節(jié)點(diǎn)2 組成的桿件。如圖2 所示。

圖2 桁架節(jié)點(diǎn)編號圖

2 損傷對結(jié)構(gòu)靜力的影響

2.1 桁架桿件損傷對結(jié)構(gòu)撓度的影響

桁架桿件損傷對結(jié)構(gòu)靜力的影響主要體現(xiàn)在位移上。選取圖2 所示桁架損傷工況為研究對象。對斜拉桿件進(jìn)行編組，結(jié)構(gòu)組1 為桿1-11+桿2-10+桿3-9+桿4-8+桿5-7，結(jié)構(gòu)組2 為桿1-11’+桿2’-10’+桿3’-9’+桿4’-8’+桿5’-7’，結(jié)構(gòu)組3 為桿1-2+桿2-3+桿3-4+桿4-5+桿5-6，結(jié)構(gòu)組4 為桿1-2’+桿2’-3’+桿3’-4’+桿4’-5’+桿5’-6’，由于桁架沿橋中軸線對稱，結(jié)構(gòu)組亦包含對稱位置的桁架，如結(jié)構(gòu)組1 的桿件空間分布如圖3 所示。通過改變結(jié)構(gòu)材料彈性模量的變化來模擬結(jié)構(gòu)的損傷。分別模擬結(jié)構(gòu)組桿件在損傷0%（未損傷）、30%、50%、80%下的靜力性能，取主梁在損傷下的豎向位移為結(jié)果，對其進(jìn)行分析。

圖3 結(jié)構(gòu)組1 的桿件空間分布示意圖

從圖4 中可看出，中跨腹板結(jié)構(gòu)組1，桿件損傷對靠近桿件位置的中跨梁的影響較大，對邊跨和另外一個T 構(gòu)的梁影響較小。在損傷80%的時(shí)候，主梁撓度變化明顯和其他損傷值下的不同。在桁架和梁交接的節(jié)點(diǎn)7，撓度差值可達(dá)13.48mm，相比未損傷時(shí)的撓度增加了35%。

圖4 結(jié)構(gòu)組1 損傷下的主梁豎向位移

從圖5 中可看出，邊跨腹板結(jié)構(gòu)組2，桿件損傷對靠近桿件位置的邊跨梁的影響較大，對中跨和另外一個T 構(gòu)的梁的影響較小。桿件損傷80%下的撓度和其余三個工況下?lián)隙鹊牟顒e較為明顯，在桁架和梁交接的節(jié)點(diǎn)8’，撓度差值可達(dá)6.02mm，桁架和梁交接的節(jié)點(diǎn)8’，撓度相比未損傷時(shí)的增加了87%，但其余節(jié)點(diǎn)的撓度變化最大僅為10%。

圖5 結(jié)構(gòu)組2 損傷下的主梁位移

從圖6 中可看出，中跨上弦板結(jié)構(gòu)組3，桿件損傷對中跨梁的影響較大，對右邊跨梁的影響大于左邊跨。桿件損傷80%下的撓度在桁架和梁交接的節(jié)點(diǎn)6，相較于未損傷的撓度差值可達(dá)45.49mm，相比未損傷時(shí)的撓度增加了70%。

圖6 結(jié)構(gòu)組3 損傷下的主梁豎向位移

從圖7 中可看出，左邊跨上弦板結(jié)構(gòu)組4，桿件損傷對損傷桿件所在的左邊T 構(gòu)梁的影響較大，對右邊T 構(gòu)梁的影響相對較小。桿件損傷80%下的撓度在桁架和梁交接的節(jié)點(diǎn)6，相較于未損傷的撓度差值可達(dá)14.19mm，相比未損傷時(shí)的撓度增加了37%。

圖7 結(jié)構(gòu)組4 損傷下的主梁位移

從圖4～7 的分析可看出，桁架桿件的損傷對靠近損傷桁架的主梁撓度影響較大，上弦桿的損傷對梁撓度的影響明顯大于腹桿的損傷。上弦桿的損傷會影響整個T 構(gòu)梁的撓度，而腹桿的損傷影響范圍局限在腹板垂直對應(yīng)的主梁。梁的撓度對上弦桿的損傷更加敏感，上弦桿損傷30%的情況下，主梁撓度已經(jīng)有較為明顯的變化，而腹桿損傷30%時(shí)，撓度和未損傷變化不大。隨著損傷的增加，主梁撓度呈現(xiàn)非線性增長。

2.2 桁架桿件失效對結(jié)構(gòu)撓度的影響

當(dāng)損傷惡化時(shí)，容易出現(xiàn)桁架桿件失效的災(zāi)害，給橋梁結(jié)構(gòu)的安全帶來威脅。通過模擬不同位置桿件的失效，繪制成圖8，研究不同位置桿件失效下的撓度。

圖8 桁架失效下的主梁豎向位移

從圖8 中可看出，在桁架桿件失效時(shí)，主梁撓度出現(xiàn)了不同程度的變化。結(jié)構(gòu)組1～4 的失效均引起主梁撓度的增大，結(jié)構(gòu)組3 桿件失效下的撓度變化相較于其他結(jié)構(gòu)組失效時(shí)的大，出現(xiàn)在桁架和梁交接的節(jié)點(diǎn)6，相較于未損傷的撓度差值可達(dá)90.97mm，相比未損傷時(shí)的撓度增加了140%。類似于損傷情況，上弦桿的失效對梁撓度的影響明顯大于腹桿的失效。

3 損傷對結(jié)構(gòu)動力性能的影響

損傷對結(jié)構(gòu)動力性能影響的敏感性較高，基于模態(tài)分析的結(jié)構(gòu)損傷識別是橋梁結(jié)構(gòu)損傷識別的主要手段之一。為了研究結(jié)構(gòu)損傷對結(jié)構(gòu)動力的影響，分別研究以下典型工況：工況1，未損傷；工況2，全橋桁架損傷20%；工況3 結(jié)構(gòu)組1 損傷50%；工況4結(jié)構(gòu)組2 損傷50%；工況5 結(jié)構(gòu)組3 損傷50%；工況6 結(jié)構(gòu)組4 損傷50%。對不同損傷下的橋梁頻率列表見表1。

表1 不同損傷下橋梁的頻率

從表1 可看出，桁架桿件在不同損傷下的頻率與未損傷下的不相同。全橋桁架損傷對頻率影響較大，損傷20%下的頻率明顯小于部分桁架損傷50%下的頻率。上弦桿損傷對頻率的影響大于腹桿。損傷導(dǎo)致結(jié)構(gòu)頻率的降低。

4 結(jié)論

為研究桁架桿件損傷甚至失效情況下的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能規(guī)律，以某預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉桁架T 構(gòu)橋?yàn)楸尘埃⒂邢拊Ｐ停O(shè)置桁架桿件損傷或失效的不同工況，對比分析該橋在損傷狀態(tài)和未損傷狀態(tài)下對結(jié)構(gòu)撓度和頻率的影響，得到以下結(jié)論：

1）對于預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉桁架T 構(gòu)橋來說，桁架桿件的損傷對主梁的撓度和頻率都有較為明顯的影響。

2）上弦桿的損傷對梁撓度的影響明顯大于腹桿的損傷，上弦桿的損傷會影響整個T 構(gòu)梁的撓度，而腹桿的損傷影響范圍局限在腹板垂直對應(yīng)的主梁，損傷的增加和主梁撓度變化的關(guān)系呈現(xiàn)非線性。桁架的損傷和失效有相似的規(guī)律。

3）桁架桿件在不同損傷下的頻率與未損傷下的不相同，全橋桁架損傷對頻率影響較大，上弦桿損傷對頻率的影響大于腹桿，損傷導(dǎo)致結(jié)構(gòu)頻率的降低。