横向连接系损伤的梁桥在行车荷载下的动力响应

周子筠　王程程

（武昌工学院土木工程学院　湖北武汉）

1　引言

目前，国内外的桥梁建筑都朝着大跨度、轻质材、小刚度的方向发展。而与此同时，过桥车辆的次数增大，车辆的种类增多，过桥车速也在加快，尤其是当中还存在着超重的大型工程运输车辆。因此在桥梁整体响应中，车致动力响应所占的比重也在不断增强。桥梁存在着由于设计或施工而产生的一些先天缺陷，并反复承受着来自车轮的冲击和磨损，必然会使得桥梁的使用功能和行车服务质量随时间的推移而渐渐变低[1]。由于长时间承受着极复杂的车辆动荷载的考验，许多桥梁在运营不到几年的时间就会出现不同程度的损坏甚至破坏的现象[3]。

T形梁桥在使用过程中出现了各种各样的病害，其中以横向联结破损的表现最为突出。横隔板常用的横向连接一般是钢板连接和扣环连接，这些横向连接属于受力集中的薄弱部位，受到施工技术和质量以及其他因素的影响，在行车荷载反复作用下很容易出现破损，比如连接钢板表面混凝脱落、连接钢板锈蚀甚至钢板焊接缝疲劳开裂或者连接钢筋断裂，使横隔板的工作性能无法得到发挥甚至丧失连接功能，导致梁与梁之间不能按原来的方式传递外部荷载。直接承受荷载作用的梁受力增大，非直接承受荷载作用的梁受力将会降低[2]。所造成的后果是横向联系薄弱、整体刚度偏小，受力梁在荷载作用下挠度较大，而非受力梁挠度较小，甚至出现“单梁受力”的缺陷，造成恶性循环，进而加重单片梁的其它病害程度，给行车安全带来极大的隐患。因此，本文以一座三跨五梁式T形连续梁桥为依托，采用ANSYS对桥梁横向连接系损伤前后的车致振动问题进行研究。

2　桥梁概况

本文进行公路桥梁车桥动力作用问题分析的桥梁总体布置示意图见图1，该桥为一座五梁式钢筋混凝土连续梁桥，全长58.5m宽度8m，共有三跨，共设13根横隔梁，主梁断面图和横隔梁断面如图2～3所示。

图1　桥梁总体布置示意图

图2　主梁断面图

图3横隔梁断面图

图4所示为常用的主梁中横隔梁的联接构造。焊接钢板预埋在横隔梁靠近下部边缘的双侧和顶部的翼缘板内；先将焊接钢板与横隔梁里的受力钢筋焊接来固定位置。当T梁安装就位后，再在预埋钢板上加焊盖接钢板，使得各个T梁联成整体，用以共同承受来自于桥面上行车的局部荷载。

图4　连接构造示意图

3　桥梁的动力特性分析

采用实体建模的方法，创建实体几何模型，再运用ANSYS网格划分工具对模型进行自由网格划分，生成节点和单元。其中，桥梁主梁横隔梁以及桥墩统一采用SOLID65单元；焊接钢板及支座采用SOLID186单元；梁桥的活动支座处，支座与主梁的之间建立了面-面接触对，即用TARGE170单元来模拟被当做“目标”面的刚性主梁的表面；用CONTA174单元来模拟被当做“接触”面的柔性橡胶支座的表面。采用自由网格划分方法，获得桥梁有限元模型如图5所示。

图5　桥梁模型单元及约束

本文采用模态分析得出梁桥的前6阶固有振动频率，如表1。

表1　前六阶固有振动频率

4　无损伤桥梁在行车作用下桥梁跨中响应

本文采用完全瞬态分析的方法，对桥梁进行车辆荷载作用下的响应计算分析，不考虑结构的阻尼。为了分析方便，本文将讨论三种比较典型的荷载工况组合情况。本文所采用车辆的荷载为55t，车速为10m/s，重力加速度为g=-9.8m/s2。将车辆模型等效为一个作用点的外荷载力。

4.1　工况一：全程只有一辆车通过桥梁

一辆车在半幅桥面上行驶，通过桥梁。

结构的初始位移、速度、加速度、节点荷载均为0。将车辆荷载加在桥面板右车道节点上，加载方向沿纵桥向从左向右。第一个荷载步：荷载加在加点1上；第二个荷载步：荷载加在节点2上。依次加载，直到车辆完全行驶出桥。采用自动时间步长。最后得出工况一桥梁跨中竖向及横向位移时程曲线。

图6　无损伤梁桥工况一跨中竖向位移时程曲线

4.2　工况二：两辆车相对行驶通过桥梁

两辆车在各自的半幅桥面上对向行驶，通过桥梁，全程作用线不交叉不重叠。

结构的初始位移、速度、加速度、节点荷载均为0。将车辆荷载分别加在桥面板双向车道节点上，加载方向沿纵桥向相对加载。第一个荷载步：荷载加在加点1和节点61上；第二个荷载步：荷载加在节点2和节点62上。依次加载，直到两辆车完全行驶出桥。采用自动时间步长。最后得出工况而桥梁跨中竖向及横向位移时程曲线。

图7　无损伤梁桥工况二跨中竖向位移时程曲线

4.3　工况三：两辆车相向行驶通过桥梁

两辆车在同半幅桥面上同相行驶通过桥梁，全程作用在一条直线上，两车始终相相距12m。

结构的初始位移、速度、加速度、节点荷载均为0。将车辆荷载分别加在桥面板右车道节点上，加载方向沿纵桥向从左向右，依次上桥。第一个荷载步：荷载加在加点1上；第二个荷载步：荷载加在节点2上；依次加载至第13个荷载步，第二辆车上桥时刻：荷载加在节点13和节点1上；第14个荷载步：荷载加在节点14和节点2上。继续加载，直到第二辆车完全行驶出桥。采用自动时间步长。最后得出工况而桥梁跨中竖向及横向位移时程曲线。

图8　无损伤梁桥工况三跨中竖向位移时程曲线

5　有损伤连续梁桥在行车作用下跨中响应计算

横向连接系构造是结构与结构之间传力必不可少的设置，而桥梁构件的连接处并不存在完全的连续性。当多个荷载连续通过桥梁时，由于位置和时间的不同，将引起桥梁跨中挠度的变化和叠加，因此跨中横向连接处的破坏显得尤为重要。因此，接下来将计算T形连续梁桥在跨中一处横向连接系破坏情况下（如图9），在3种行车工况作用下的响应。

图9　横向连接有损伤连续梁桥跨中横向连接系示意图

桥梁模型采用横向连接系有损伤的桥梁进行ANSYS建模，车辆荷载模型依旧采用理想的常量力模型进行完全瞬态动力分析。三种工况的加载方式与上一节相同。得到横向连接系有损伤的桥梁在三种工况下的跨中竖向位移时程曲线，如图10～12所示。

图10　有损伤梁桥工况一跨中竖向位移时程曲线

图11　有损伤梁桥工况二跨中竖向位移时程曲线图

图12　有损伤梁桥工况三跨中竖向位移时程曲线

6　综合对比

上文进行了横向连接系无损伤梁桥在无跳车荷载作用下、横向连接系有损伤梁桥在无跳车荷载作用下以及横向连接系有损伤梁桥在有跳车荷载作用下的竖向横向位移响应计算，可综合归纳如图13～15。

总体上来说，所有工况下的竖向位移响应曲线都具有一定的对称性，动位移的最大值都出现在车辆行驶过跨中位置附近的时刻。在前2s即车辆行驶在第一跨时，同一种工况下车辆荷载模型也是一致的，时间历程曲线基本重合。在工况一和工况二的第2～4s以及工况三的第2～5.2s时间内，即当有车辆驶入桥梁第二跨直至所有车辆驶离第二跨时，曲线出现了较大的分离，对于桥梁有损伤情况下相比桥梁无损伤情况，跨中响应增大了1～2mm，但是曲线起伏趋势相似。在时间历程的最后2s即只有车辆行驶在第三跨上的时间内，两种模型的响应曲线再次基本归于重合。

图13　工况一只有一辆车行驶通过全桥情况下桥梁跨中竖向响应

图14　工况二两辆车相对行驶通过全桥情况下桥梁跨中竖向响应

图15　工况三两辆车相隔12m同向行驶通过全桥情况下桥梁跨中竖向响应

7　结论

通过上文的计算可以看出，当混凝土T形连续梁桥的横向连接系出现破坏后，在行车荷载作用下桥梁的振动响应比无损伤桥梁下的振动更大。

而从整个行驶过程来看，在相同的荷载工况下，当车辆行驶在损伤横向连接系所在跨即第二跨时，有损伤连续桥梁与无损伤连续梁桥相比，跨中竖向位移响应明显增大；而当车辆未行驶上该跨或者离开该跨时，跨中竖向位移响应趋于一致，区别不大。

由此可见，桥梁构造对于整个桥梁系统而言是一个尤为重要的组成部分，桥梁震动计算及大量的桥梁病害的实际例子表明，来自桥梁构造上的缺陷和损伤是除去施工和材料之外，影响桥梁结构耐久性的决定因素。

[1]周 履.桥梁耐久性发展的历史和现状.桥梁建设，2000，4：58～61.

[2]赵俊，张伟伟，马宏伟.移动载荷作用下简支梁的动态响应及裂纹损伤识别研究.振动与冲击，2011.

[3]蒋培文，贺拴海，宋一凡，王凌波.桥面局部凹陷时的连续梁车桥耦合振动分析.武汉理工大学学报，2011.