混凝土刚架拱桥损伤检测及仿真模拟.pdf

誓 誓匾盈 l C it ie s a n d T o w n s C o n s t r u c t io n In G u a n g x i I 广 城携建设 文章编号 1 6 7 2 - 7 0 4 5 ( 2 0 0 8 ) 1 0 0 0 7 8 0 3 摘要： 桥 梁结构的模 态特 性 能直 接 反 应 桥 梁各 部 分 的质 量 、 刚度 分布 特 性 。本 文根据 桥 梁 现场模 态试 验 结果 ， 建 立 混凝 土 刚 架拱 桥 空 间 结 构 有 限元 模 型 ， 分析 其模 态特 性和 结构损 伤 之 间 的 关 系， 重 点研 究横 向联 系 体 系对 动 力特 性 的影 响 ， 以供 类 似工程借 鉴。 关 键词 ： 刚架拱桥模态特性 模态试验损 伤检 测 中图分类号 U 4 4 8 2 2 2 文献标识码 B 刚架拱桥是在双 曲拱桥 、 桁 架拱桥 肋拱桥和斜腿刚构桥的 基础上， 结合我国拱桥特点及无 支架施工经验发展起来的一种新 桥型 ， 属 于 有推 力 的高 次超 静 定 结构 ” 。由于它 具有 构件 少 、 质 量轻、 刚度大、 施工简便、 造价低、 造 型 美观 等 优点 ， 被 广 泛 用于跨 径 2 5 m 7 0 m 的桥梁 中， 在我 国部 分地区占有相当大数量。虽然这 种拱桥有许多优点， 但 由于它属 于高次超静定结构， 结构受力 比 较复杂， 如果一个构件有病害产 生， 会引起整个桥梁产生一系列 病害， 特别是超载车辆， 对其产生 的危害更大 。 针 对 刚 架 拱 桥 的 常 见 病 害 ， 目前的绝大部分文献都是 从静力特性的角度 出发， 分析横 向构件 、 微弯板等对于刚架拱桥 横 向整 体 刚度 的影 响 ， 进 而进 行 病害的预测与分析。下面以广西 壮族 自治区钦州市的一座典型混 凝土刚架拱桥为例， 应用空间有 限元模型分析刚架拱桥的动力特 性和结构损伤之间的关系。 1 工程概况 钦江二桥于 1 9 9 8 年元 月建 成， 主桥桥跨布置为 1 6 + 36 3 + 1 6 = 2 2 1 m ， 主孔为 6 3 m 钢筋混凝土 刚架拱桥。桥面车道宽 1 8 m ， 两旁 人行道宽各 2 m 。设计荷载汽车- 2 0 级 ， 挂- 1 0 0 ， 人行 道 3 5 k N m 。 。桥 跨布置示意图如图1 所示。 2 桥梁病害及评定 2 1 桥梁病害调查 该 桥于 2 0 0 7 年 9 月 由广西 大 学土木建筑工程学院试验检测中 图 1 钦江二桥主桥桥 型布 置图 城貔建彳 殳 心进行 了全桥检测， 检测结果如 下 ： 桥面 系桥面板 ， 桥面在 上下 游幅之间有两条沿桥纵向的贯穿 性裂 缝 ， 由于 在行 车 过 程 中桥 梁 上下游主拱变形不协调产生的裂 缝； 伸缩缝螺栓松动或脱落， 两 侧形成高差变形， 局部混凝土压 碎， 产生跳车现象， 对桥梁有较大 的冲击 ； 钢筋混凝土弧形桥面 板下肋普遍开裂， 且裂缝较大， 部 分超过 城市桥梁养护技术规范 ( C J J 9 9 2 0 0 3 、 J 2 8 1 2 0 0 3 ) 规 定的 0 2 m m 要求， 最大裂缝达 l m m ； 横 梁 与 主拱 连 接不 可 靠 ， 在 连 接 处 普遍出现松动裂缝， 没能很好传 递主拱间荷载， 其中1 根横梁在该 检测前的几天脱落坠人河 中， 还 有 1 根的一端已脱落倾斜； 在主 桥上下幅之间有一输水管通过， 在管下设有托梁， 有部分托梁破 坏； 试验跨各跑车工况下的横 向动位移要大于垂直动位移， 在 2 0 k m h 时速 是 垂 直方 向的两 倍 ； 用环境随机振动法获得和 2 0 H z 内振型很密集， 在 2 0 H z 内， 实验模 态有 1 7 个， 各种振型均有病害， 尤 其是局部振型较多。 2 2 病害原因分析 引起 病 害 的原 因主 要 有 ： 原设计等级已不能适应目前 日 益增长的交通量及重载车辆的运 行 ； 刚架拱 桥本 身整体性 差 ， 横 向联 系薄弱 也是造 成病 害的一个 重要原因； 桥梁在运营过程 中， 横 向联结出现了严重的缺陷导致 横 向整体刚度低， 使桥梁出现不 正常振动且结构整体性较差， 出 现较多的局部不连续的振型。 2 3 桥梁结构性能状况评定 通过对该桥梁的实际检测的 数据的分析和对实际承载力的检 测， 桥梁横向联结系较差， 整体刚 度较弱 。根据 城市桥梁养护技 术 规 范 ( C J J 9 9 2 0 0 3 ) 对 该 桥 梁 进 行 整 体 的评 估 ， 该 桥 梁 目前 的 完好等级为 D 级； 同时根据( ( 城市 桥梁养护技术规范 ( C J J 9 9 - 2 0 0 3 ) 中4 5 3 款 的第 1 2 条 ， 上部结构 有落梁和脱空趋势， 该桥直接定 为 D 级； 另按附录 D的要求， 当构 件结构裂缝宽度出现超过 0 2 m m ， 或桥梁出现非正常振动时， 直接 将桥定为D 级 。该桥的面板结构 件下肋 出现大于 0 2 m m 的结 构裂 缝， 且根据动载试验， 在行车过程 中， 其横 向水平振动位移大于垂 直振动位移， 应属于非正常振动， 并考虑该桥横 向联结系薄弱， 出 现横向联结系脱落坠入河 中现象 等， 该桥定为 D 级不合格状态， 该 桥梁属于 类养护的城市桥梁一 城市主干路上 的桥梁， 应在检测 后进行 中修或大修工程。 3 结构动力特性分析 3 1 有限元模型 根 据施工步骤 ， 建立 M I D A S 全 桥结构空间计算分析模型， 该桥 主要受力杆件为主拱肋 、 斜撑、 弦 杆及横 系梁组成 的空 间受力 体 系， 采用M I D A S 空间有限元程序对 钦州二桥进行结构仿真分析， 所 有构件均按原桥结构尺寸真实建 模， 结构共有节点 1 5 1 2 个， 单元总 计 1 6 8 4 个， 其 中梁单元8 0 0 个， 桥 面板单元 8 8 4 个。二期恒载等其 他附属设施均采用梁单元恒载均 图3 模 型 1 动 力特 性 广 城貔建设 、 表 1 钦州二桥 动力特性 表 模型1 ( 单位： H z ) 模型 2 ( 单位： H z ) 模型3 ( 单位： H z ) 阶数 频率 振型特征 阶数 频率 振型特征 阶数 频率 振型特征 1 2 2 6 6 一阶反对称竖弯 1 o 7 9 5 拱腿一阶横弯 1 O 5 3 拱腿一阶横弯 2 3 0 9 l 一阶对称扭转 2 o 9 2 4 拱腿一阶反对称横弯 2 O 6 1 6 拱腿一阶反对称横弯 3 3 6 5 6 一阶对称竖弯 3 1 6 3 9 拱腿桥面一阶横弯 3 1 0 9 3 拱腿桥面一阶横弯 4 4 4 1 2 拱顶一阶对称扭转 4 2 1 2 4 一阶反对称竖弯 4 1 4 1 6 一阶反对称竖弯 5 6 0 7 8 一阶反对称扭转 5 2 8 5 6 一阶对称扭转 5 1 9 0 4 一阶对称扭转 6 6 7 o 1 面内两阶对称竖弯 6 3 。 3 8 9 一阶对称竖弯 6 2 2 5 9 一阶对称竖弯 布荷载及板单元均布荷载的方 在范围为2 2 H z 至9 8 H z 内， 其中 参考文献 式， 作用在相应的单元及节点位 基频为2 2 6 6 H z ， 振型特征为主梁 i 】 袁铜森， 方志， 胡柏学， 肖 置 。在动力特性分析计算 中， 上 及拱腿面 内一 阶反对称竖弯， 由 友明， 肖卫今 刚架拱桥的典型病害 述均布荷载 自动转化为质量节点 此可见， 理想模型中， 横桥向刚度 诊断分析 与加固 J 中南公路工 分布在桥面各节点上。全桥结构 相对于竖桥梁刚度而言较大。当 程， 2 0 0 5 ， 3 0 ( 5 ) ： 1 5 2 1 5 6 有限元模型如图2 所示。 横梁刚度分别折减 7 5 及 5 0 时， 2 陈宇新， 王玉泉， 徐天予， 唐 为研究包括横梁、 微弯板以 全桥前3 阶振型转为横桥向振动，永利， 邓研 浅析钢筋混凝土刚架拱 及桥面铺装层等所形成的横向联 横 向刚度降低， 横桥向振型相对 桥病害分析及加 固设计【 J 东北 系体系， 对主拱片的约束作用以 提前， 且横梁刚度折减率越大， 横公路， 2 0 0 3 ， 2 6 ( 3 ) ： 9 0 9 3 及 对 于 整 个 结 构 动 力 特 性 的影 桥 向振型基频值越小 。 【 3 李宏江， 叶 见曙， 虞建成 伊 响， 根据实际检测桥梁结构的横 家河刚架拱桥病害的结构分析 J 】 向连接状况， 通过设置不同数量 4 结束语 桥梁 建设， 2 0 0 2 ， ( 0 5 ) ： 1 9 2 2 的横向连接梁， 建立了3 个有限元 【 4 】 严木才， 张娜 G 2 0 5 国道丁 结构分析模型。模型 1 根据实际 以上针对钦少 I 、I -桥主拱圈局 山刚架拱桥检测评价【 J 公路交通 结构 刚度 的状 况设 计横 向连接 部横 向振动频率较为提 前的现 技术， 2 0 0 6 ， ( 0 5 ) ： 9 6 一 i 0 0 梁； 模型2 的横向连接梁刚度为模 象， 对该桥进行了动力特性计算 5 余泉， 项贻强， 王建江， 王 型 1 的7 5 ； 模型 3 的横向连接梁 分析， 计算结果表明： 横向振动频 林， 伍华成， 李毅 钢筋混凝土刚架 刚度为模型 1 的5 0 ， 结构的其他 率提前现象为横向联系横梁刚度 拱桥横向联系的内力分析 J 】 公路 不变 。通过改变横 向连接 梁 刚度 损 伤所 致 ， 理 想 状 态桥 梁横 向刚 交通技 术， 2 0 0 6 ， ( 0 2 ) ： 9 1 9 3 模 拟横 向联系体系出现裂缝、 损 度较大， 基频部分振型均为面 内 6 】 刘洪瑞， 周俊锋 超载作用 伤， 研究对结构动力特性的影响。 振动。由于在该桥动测模态分析 下刚架拱桥的病害分析与防治 J 】 3 2 计算结果分析 试验中， 试验采集数据经过滤波 广 东工业大学学报 ， 2 0 0 3 ， 2 0 ( 2 ) ： 表 l 为 3 个模型 的全桥动力 去噪分析得到基频及前几阶结构4 2 4 5 特性分析计算结果， 图3 为模型 1 振型均 为不连续 的横 向弯曲振 7 z荣辉， 甄晓霞， 单成林 佛 的前 6 阶动力特性振型和 自振频 型， 此特征说 明该桥在服役期间 山澜石 大桥 病 害分析 与整 治对 率值。由表 l 可知， 横梁刚度的变 横向杆件的联接位置受到了较大 策 J 】 自然灾害学报， 2 0 0 4 ， l 3 ( 6 ) ： 化对全桥振动特性有较大影响， 的损伤及破坏 。因此， 在该桥的 1 1 2 1 1 6 当横梁刚度不折减时， 全桥前6 阶 加固改造过程 中。需严格注意横 主 要 振型 为 面 内振 型 ( 面 内竖弯 向杆件 的连接 可 靠性 ， 提供 完 善 ( 作者单 位 ： 钦 州市建 设规划 及扭转 ) ， 模型 1 前 6 阶 自振频率 的桥梁横向刚度。 委员会， 广西钦州5 3 5 0 0 0 )