横隔梁损伤对桥梁结构横向受力性能的影响研究

赵珞珞，李春良

吉林建筑大学 交通科学与工程学院,130118

0 引言

T形梁桥在我国公路桥梁总数中所占比重较大,一旦出现安全隐患将产生严重的后果.横隔梁作为其主要的横向联接结构,遭到破坏后会减弱各梁之间的横向联系,使得各梁分配到的荷载相较于横隔梁完好时分配到的荷载发生明显变化,最终影响桥梁的横向受力.现阶段国内外学者主要从以下方面研究T形梁桥损伤后横向受力的变化:① 采用有限元软件建立桥梁有限元模型,考虑跨径、主梁片数以及横隔板数量等因素的影响,绘制各主梁截面横向分布影响线[1].② 采用解析法来分析,考虑各主梁间横向连接构件湿接缝刚度损伤条件下,重新推导现有方法计算公式,对在役桥梁荷载横向分布作出正确评价[2].③ 采用荷载试验的方法,通过实测跨中挠度计算各梁的横向分布系数,利用荷载试验结果来分析桥梁在成桥状态下的实际横向分布系数[3-4].

本文利用有限元软件ANSYS 建立完好的桥梁模型和横隔梁损伤之后的简支T梁桥模型,通过对横隔梁损伤前后的横向影响线对比,研究其损伤对桥梁横向受力带来的变化.

1 ANSYS模型的建立

利用ANSYS建立一座简支的钢筋混凝土刚接T梁桥,计算跨径L=19.5 m,纵向5片横隔梁的有限元模型[5].如图1所示，其中(a),(b),(c)分别表示桥、主梁、中横梁的截面.

图1 桥、主梁、中横梁截面(单位：cm)Fig.1 The cross section of bridge,main girder and middle diaphragm(Unit:cm)

1.1 横隔梁完好时的桥梁模型

以梁格法原理为基础建立简支T形梁桥的ANSYS模型,其中横隔梁和T形主梁的模拟选用梁单元中的BEAM44单元.所建立的桥梁完好时的有限元模型,如图2，图3所示.

图2 桥梁整体有限元模型Fig.2 Bridge’s integral finite element model

图3 未损伤的横隔梁模型Fig.3 Undamaged diaphragm model

1.2 横隔梁损伤后的桥梁模型

横隔梁损伤后,采用减小受损位置处横隔梁高度的方法来模拟损伤的横隔梁.采用横隔梁损伤后的工作高度h′与完好横隔梁的高度h的比值来描述横隔梁的损伤程度α.即α=1-h′/h，如图4所示.

图4 损伤的横隔梁模型Fig.4 Damaged diaphragm model

2 算例分析

2.1 验证模型合理性

将桥梁完好时ANSYS有限元模型以及刚接梁法理论[6]得到的各梁横向分布影响线进行比较,以此验证本文所建模型的正确性.

图5中的曲线为横隔梁未损伤时软件模拟结果和刚接梁法计算结果的3号主梁的横向影响线对比图.经观察发现2条曲线基本重合.这说明本文所建模型的计算结果正确合理,能够模拟实际情况下简支T形梁桥的横向受力状态.

图5 3号主梁的横向影响线Fig.5 Lateral influence line of No.3 girder

2.2 计算结果分析

2.2.1 横隔梁损伤的影响

为了研究横隔梁损伤后简支T形梁桥横向受力的情况,现假设2号接缝处横隔梁损伤50 %,即如图1(a)所示的2号，3号主梁之间的横隔梁损伤50 %.通过有限元软件ANSYS算得3号中主梁的横向影响线,以及1号边主梁的横向影响线,如图6，图7所示.

图6 2号横隔梁损伤前后3号主梁的横向影响线Fig.6 Lateral influence line of No.3 girder under No.2diaphragm damaged and undamaged

图7 2号横隔梁损伤前后1号主梁的横向影响线Fig.7 Lateral influence line of No.1 girder under No.2diaphragm damaged and undamaged

图6中的2条曲线分别为3号主梁在横隔梁未损伤以及2号接缝处横隔梁损伤50 %的情况下横向影响线的对比图.经观察发现,横隔梁损伤后,当荷载作用于离损伤位置较近的2号、3号、4号中主梁时,其3号主梁横向影响线竖标值增大;尤其是当荷载作用到3号主梁自身时,其横向影响线竖标值增大;当荷载作用于离损伤横隔梁较远的1号、5号边主梁时,3号主梁横向影响线竖标值减小;影响线竖标值增大与减小分别意味着主梁分配到荷载的增大与减小.这主要是因为横隔梁作为主梁间横向连接的主要构件起到横向传递荷载的作用,其损伤使得这种传递作用被减弱,从而影响各主梁最终分配到的荷载值,对桥梁的横向受力性能产生不利影响.

图7中的2条曲线分别为1号主梁在横隔梁未损伤以及2号接缝处横隔梁损伤50 %的情况下横向影响线的对比图.经观察发现,当荷载作用在1号边主梁时,随着横隔梁的损伤，其横向影响线竖标值出现增大的情况;当荷载作用在2号、4号中主梁时,其横向影响线竖标值与横隔梁未损伤时相比出现了减小的情况;此外,当荷载作用在损伤位置右侧的3号、4号、5号主梁时,其荷载横向影响线数值几乎接近零,说明此时1号梁几乎分担不到荷载.这说明横隔梁损伤严重影响了桥梁横向传递荷载的能力,使得荷载无法进行正常的横向传递.

2.2.2 横隔梁损伤程度的影响

为了研究横隔梁损伤程度对桥梁横向受力的影响,现假设2号接缝处横隔梁分别损伤20 %和50 %，通过有限元软件ANSYS计算得出3号主梁不同损伤程度对应的横向影响线如图8所示.

图8中的3条曲线分别为3号主梁在横隔梁未损伤以及2号接缝处横隔梁损伤20 %,50 %的情况下横向影响线对比图.经观察发现,当荷载作用在3号主梁自身时,横隔梁损伤程度大的3号主梁分配到的荷载大于横隔梁损伤程度小的3号主梁分配到的荷载,说明横隔梁损伤程度越大,荷载作用于自身时所分配到的荷载越大;当荷载作用在1号，5号边主梁时,与上述情况相反;并且与横隔梁未损伤时图形曲线相比,横隔梁损伤程度大的3号主梁影响线曲线比横隔梁损伤程度小的曲线变化更剧烈.这说明,随着横隔梁损伤程度的增大,对桥梁横向传递荷载能力的影响也越大.

图8 2号横隔梁不同损伤程度下3号梁的横向影响线Fig.8 Lateral influence line of No.3 girder under differentdegrees of damaged No.2 diaphragm

2.2.3 横隔梁损伤对不同位置主梁的影响

图9中的4条曲线分别为2号、4号主梁在横隔梁未损伤以及2号接缝处横隔梁损伤50 %的情况下横向影响线对比图.

图9 2号横隔梁损伤前后2号和4号主梁的横向影响线Fig.9 Lateral influence lines of No.2 and No.4 girder underNo.2 diaphragm damage and undamaged

经观察发现,首先,横隔梁损伤后分别位于受损横隔梁左右两侧的2号主梁和4号主梁横向分布影响线竖标值整体上呈现先减小后增大再减小的规律;其次,离受损横隔梁最近的2号主梁影响线竖标值的变化更剧烈,离受损横隔梁较远位置的4号主梁影响线竖标值的变化较平缓.这主要是因为受损横隔梁影响了荷载横向传递的效果,且横隔梁的损伤会对不同位置的主梁产生不同程度的影响,距离受损横隔梁越近的主梁,受到的影响越大.

3 结论

(1) 通过ANSYS有限元软件的模拟，可以准确计算简支T梁桥在横隔梁损伤后的横向影响线数标值，可以用于横隔梁损伤对桥梁结构横向受力性能影响的研究与讨论.

(2) 桥梁横向传递荷载的能力受到损伤横隔梁的影响,其损伤程度越大,桥梁横向传递荷载的能力越弱;且横隔梁损伤使得各梁不能均匀、有效的传递和分配荷载;此外,不同位置的横隔梁损伤会对不同位置主梁的横向受力性能造成不同的影响,且距离损伤横隔梁越近、相互完好连接越差的主梁,其受力状态越不利.