橋梁結(jié)構(gòu)的損傷對其振動特性的影響

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1、橋梁結(jié)構(gòu)的損傷對其振動特性的影響華再穩(wěn)許瑞寧楊衡田恒張彬（貴州大學(xué)土木建筑工程學(xué)院）摘要：分析實際橋梁的各種損傷狀況，采用MIDAS、ANSYS等有限元分析軟件分析橋梁結(jié)構(gòu)損傷時橋梁的固有頻率變化及討論橋梁結(jié)構(gòu)對損傷的靈敏性，給出相關(guān)的操作過程。以模擬的簡支梁、三跨連續(xù)梁、拱梁為例，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)損傷程度的量化評估，驗證本文分析的方法對實際工程的應(yīng)用及橋梁結(jié)構(gòu)損傷程度對橋梁工作性能的影響。分析結(jié)果表明：單一單元損傷引起固有頻率影響很小;不同損傷程度和固有頻率的關(guān)系曲線具有相似性,且三階頻率變化均比較明顯。引言：橋梁是交通運輸線路的重要組成部分，橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)是交通運輸正常運

2、轉(zhuǎn)的前提。由于設(shè)計、施工、管理、環(huán)境腐蝕、自然災(zāi)害等原因，目前已有不少橋梁出現(xiàn)老化、破損、裂縫等現(xiàn)象。如果橋梁結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生破壞，對國民經(jīng)濟(jì)、社會穩(wěn)定和人民的生命財產(chǎn)具有直接的重大影響。盡管很早以來，人們就意識到對橋梁進(jìn)行健康監(jiān)測的重要性，但由于早期的健康監(jiān)測技術(shù)比較落后，因此發(fā)生過一些慘痛的工程事故。例如，1992年比利時一座后張預(yù)應(yīng)力混凝土橋倒塌；1994年韓國漢城的圣水大橋斷塌；1999年重慶綦江縣彩虹橋突然倒塌；2000年臺灣高屏大橋事故；2001年四川宜賓南門大橋橋面斷裂坍塌；2004年遼寧盤錦田莊臺大橋跨塌等。這些事故不僅造成了很大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，而且產(chǎn)生了

3、極壞的社會影響。另據(jù)有關(guān)資料顯示[1]，美國現(xiàn)有近60萬座橋梁，美國聯(lián)邦公路管理局的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明：約有l(wèi)／3的橋梁功能陳舊或有結(jié)構(gòu)缺陷，需要修復(fù)，大概需要投資700億美元，且估計每年有150～200座橋會倒塌；美國聯(lián)邦公路局(FHWA)1989年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明全美578，000座橋梁的41％在結(jié)構(gòu)上存在缺陷：截至2003年，美國約有588，930座橋梁，而病害橋梁約為158，859座，約占橋梁總數(shù)的27％;在英國，據(jù)報道也有l(wèi)/3的橋梁需要修復(fù)；在加拿大，為修復(fù)橋梁損壞的全部基礎(chǔ)設(shè)施工程估計需耗費5000億美元；在我國，交通量與日俱增，車輛載重不斷提升，缺乏例行維修，不少橋

4、梁處于帶病超負(fù)荷工作狀態(tài)，盡管新橋不斷建成投入使用，但同時更多的舊有橋梁到達(dá)或即將到達(dá)設(shè)計服役期，截止2000年底，我國的公路危橋為9,597座，公路橋梁每年實需維修費38億元，實際到位僅8億元。我國的公路、鐵路交通事業(yè)已經(jīng)發(fā)展到相當(dāng)?shù)囊?guī)模，到2003年底全國公路網(wǎng)中有各式橋梁310，774座，累計長度達(dá)12，466，143延米，其中按《公路橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》歸類為危險等級的橋梁為10,443座，計378,439延米。根據(jù)1994年秋統(tǒng)計結(jié)果，我國鐵路橋梁共有病害橋6,137座，占橋梁總數(shù)的18．8％，其中混凝土橋2，675座，占病害橋梁的43．6％?？梢姌蛄汗こ探Y(jié)構(gòu)的損傷

5、和破壞并不是個別現(xiàn)象，即使一個設(shè)計和施工都非常完美的結(jié)構(gòu)，隨著服役時間的延長和荷載的增加，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷和破壞的概率也將不斷增加。所以，為了保障結(jié)構(gòu)的安全性、經(jīng)濟(jì)性和耐久性，通過一定的技術(shù)手段對橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀況做出科學(xué)合理的監(jiān)測和評估，并采取相應(yīng)的措施以保證病害結(jié)構(gòu)的安全運營，成為一個亟待解決的問題，隨著測試手段和分析技術(shù)的提高，國內(nèi)外新建的大跨度橋梁一般都在大橋上安裝了橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，用于大橋?qū)崟r或定期地進(jìn)行長期健康監(jiān)測，其中動力測試是主要監(jiān)測手段。橋梁結(jié)構(gòu)的受力特征在于其主要承受動載,隨著高速公路、高速鐵路橋以及大跨橋的發(fā)展,橋梁抗風(fēng)、抗震及車振等的動力分析要求顯

6、著提高,因而對于運營中的橋梁必須考慮結(jié)構(gòu)存在的損傷對結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影響。目前日益繁重的既有橋梁檢測任務(wù)以及橋梁事故產(chǎn)生的嚴(yán)重后果,使得極具潛力的基于動力測試的損傷檢測方法成為橋梁工程領(lǐng)域的熱點問題,動力法損傷識別領(lǐng)域的研究已經(jīng)取得很多理論成果,但由于動力測試水平的相對滯后,噪聲干擾等原因使得動力法損傷識別在目前還難以運用于工程實踐。而橋梁結(jié)構(gòu)損傷對其動力特性影響方面的研究資料相對偏少,因此在分析橋跨結(jié)構(gòu)的實際動載受力狀況以及橋跨結(jié)構(gòu)損傷先驗知識的基礎(chǔ)上,討論各種不同損傷實際狀況,并將各類具有代表性的橋跨結(jié)構(gòu)損傷對相應(yīng)橋跨結(jié)構(gòu)的動力特性影響及影響的規(guī)律作詳細(xì)的分析。橋跨結(jié)構(gòu)損

7、傷對動力特性影響的分析一方面可以為各類動力響應(yīng)分析提供因結(jié)構(gòu)損傷導(dǎo)致的動力響應(yīng)結(jié)果變化范圍,使得動力分析更全面合理而更符合實際情況;另一方面為橋梁結(jié)構(gòu)的動力法損傷識別的理論與更接近實際應(yīng)用方法的發(fā)展提供基礎(chǔ)資料。本文研究內(nèi)容：本文在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合橋梁的結(jié)構(gòu)特征及其固有振動特性并為了更好、更有效地實施橋跨結(jié)構(gòu)的動力法損傷識別，首先有必要了解橋跨結(jié)構(gòu)的損傷及其對固有振動特性影響的先驗知識。若能夠有效利用此類信息，則既有助于建立更合理及符合工程實際的損傷識別算法，又可降低識別計算量。在此先按照構(gòu)件承力特性來分