基于挠度监测的铰缝损伤定量评估方法

 李小年，彭崇梅，孙燕，张香

 (上海市政养护管理有限公司，上海201103)

摘要：结合3D有限元分析、挠度监测、荷载试验，对空心板梁铰缝损伤机理进行研究。提出采用铰缝相对位移与空心板挠度的比值作为检测指标，在不巾断交通的情况下完成某桥铰缝损伤的定量评估，最后通过荷载试验验证评估方法的正确性。

关键词：空心板；铰缝；损伤；评估；检测指标；挠度监测

中图分类号：U445.7  文章编号：1004-4655( 2016) 02-0060-04

 装配式空心板梁桥中，各板梁通过现浇的企口混凝土铰缝联结，使各板梁横向连成整体，共同承担桥上车辆荷载，显著减小单根板梁受力。铰缝破损是最常见也是对结构承载能力影响最大的病害。如果铰缝受损甚至横向不能传力，则当车轮作用于某一根板梁时，全部轮重将由该板梁单独承受，形成“单板受力”状态。

 “单板受力”状态对桥梁危害性很大且范围广泛，其所承担的荷载往往高出设计荷载时该梁所承担荷载的3倍以上，出现承载能力不足。除引起梁本身破坏外，“单板受力”还可引起桥面铺装、伸缩装置、桥梁支座等的破坏，甚至出现桥面铺装拱起、破碎、脱落等现象，影响行车安全。

 在日常检查中，对于铰缝破损主要是基于桥面铺装纵向开裂或铰缝处梁底渗水的目观检查来判断。由于有桥面铺装的遮盖，铰缝的开裂不易直接观察到，至于开裂的程度则更加难以评估，导致这种检测结果具有很大的主观性，难以准确把握铰缝损伤程度及损伤状态下桥梁的实际承载能力。

 本文提出“基于挠度监测的铰缝损伤评估方法”，在不中断交通的情况下进行低成本且高效的监测，完成铰缝损伤的定量评估，为铰缝维修提供决策依据。

1有限元模型

 某桥位于S4高速，其跨径为22 m，上部结构形式为装配式空心板梁桥，设计荷载为汽车一超20级。该桥横向由11片空心板梁组成，编号从外侧到内侧分别为1号~11号梁，1号梁与2号梁之间的铰缝编号为1’’2铰缝，以此类推。横截面形式如图1所示。

 用ANSYS中的SOLID185单元对该桥建立全桥实体模型，单元长度为0.1 m，如图2所示。其中空心板混凝土的弹性模量取3.25×104 M Pa．7 cm厚C30钢筋混凝土面层的弹性模量取3.00×104.MPa,混凝土重度为25 k N／m3；8 cm厚沥青混合料面层的弹性模量取1200 M Pa，混凝土重度为23 k N／m3；两侧防撞护栏自重取12 k N/m，采用MASS21单元模拟。

2铰缝相对位移影响线

 为定量评价板梁桥铰缝损伤程度，对铰缝损伤后的铰缝相对位移进行有限元分析，通过删除铰缝处的实体单元模拟铰缝损伤。

 首先观察损伤铰缝处相对位移的纵、横向影响线特性。以4’’5铰缝作为考察对象，将跨中对称损伤50%，以1 k N的单位集中力在桥梁跨中横向移动，得到铰缝相对位移的横向影响线如图3所示。可以看出，铰缝两侧影响线幅值符号相反，且接近损伤铰缝处的峰值较为明显。这说明，在车辆行驶过程中，车轮越接近损伤铰缝处时，相对位移幅值越明显；若铰缝两侧同时行车或车辆左右车轮分别作用于铰缝两侧时，由于铰缝两侧同时受力变形而使相对位移幅值变小。同时还可看出，荷载作用于1号-4号梁一侧时的峰值要略大于荷载作用于5号-11号梁一侧的峰值。

 观察相对位移的纵向影响线特性。取4’’5铰缝跨中对称损伤50%及梁端损伤50%2种工况，得到铰缝相对位移的纵向影响线分别如图4、图5所示。可以看出，相对位移测点1均位于铰缝损坏区域中间，其影响线幅值范围与铰缝损坏区域大致相同，影响线峰值位于测点处；相对位移测点2位于铰缝损坏区域与完好区域的交接处，其影响线幅值较小。

 从以上分析可以看出，铰缝相对位移不仅与铰缝的损伤程度有关，而且与车辆荷载的大小、作用横向位置、纵向位置以及测点所处位置有关。因此，在铰缝损伤检测时，应根据实际情况选择测点布置方案，不能简单以跨中相对位移作为损伤程度指标。

3检测指标

 在铰缝损伤检测时，需找一个检测指标来定量描述铰缝的损伤程度。考虑到桥上车辆荷载大小对于铰缝损伤检测的影响，采用铰缝处相对位移与板梁挠度的比值作为铰缝损伤的检测指标，见式(1)。

及右侧的梁底挠度，如图6所示。

 由式(1)可知，检测指标D i为一个无量纲参数，当铰缝完好无损时，铰缝处板梁间的相对位移为0，即D i=0；当铰缝完全失效时，D i=1；当铰缝出现一定程度的损伤时，D i在0-1之间变化。

 由于跨中位置的铰缝受力最明显，理论上也越容易破坏，因此假设各铰缝的损伤均从跨中开始对称向两端发展。

 计算中假定车辆总重为30 t，前后轴距分别为4m、1.4 m，轮距为1.8 m。将车辆荷载按相对位移纵、横向影响线加载在作用于5号-7号梁跨中，使4’’5铰缝的损伤依次增长10%，分别计算其损伤度的变化情况。计算中考虑以下4个工况以模拟多铰缝损伤的情况。

 1)工况1：其他铰缝完好。

 2)工况2:5’’6铰缝损伤50%。

 3)工况3：全桥其他铰缝均损伤50%。

 4)工况4:5’’6铰缝损伤100%。

 其中，工况4为5号梁逐步变为“单板受力”，计算各工况下检测指标D4的变化，如图7所示。

 从图7可得，各工况下的检测指标随铰缝损伤度基本一致，由此可将铰缝损伤的情况分为完好、轻微损伤、中度损伤、严重损伤及完全破坏这5种，并列出相应的损伤检测指标区间（见表1），作为铰缝损伤检测的依据。

 从表1中可知，检测指标在轻微损伤及以下时，检测指标值较小，这对仪器的精度提出了较高要求。

4利用检测指标进行损伤评估

 在不中断交通情况下进行铰缝损伤检测，由于车流量较多，在桥上各个横向位置出现的可能性均有，则挠度监测相当于利用社会车辆对其进行反复的荷载试验过程。因此，通过增加测量时间，分别计算各辆重车通过桥梁时的铰缝损伤检测指标，取其最大值作为评判标准。

 由于该桥日常车流量较大、重车较多，管养单  位在日常检查时发现桥面铺装纵向裂缝，且梁底部分铰缝有渗水。

 针对该桥目观检查情况，对疑似损伤最严重的3’’4铰缝、4’’5铰缝及7’’8铰缝进行铰缝损伤评估。按照图6所示，对铰缝位移测点进行布置，主要采用电阻式位移计测量，量程为50 mm，重复精度为0.013 mm，线性度≤±0.1%，采样频率为50 Hz。试验选择早、晚高峰段，基本涵盖白天全部时段，分10次完成约10 h的数据采集。

 采用小波分析方法，对实测数据进行剔除温度效应、零飘、噪声等处理。采用MATLAB编程选取绝对位移峰值及对应的相对位移峰值计算各铰缝的损伤检测指标，为提高计算精度，仅针对位移较大的峰值进行计算。4’’5铰缝的计算示意图如图8所示。

 按照式(1)计算各铰缝的损伤检测指标，取4’’5铰缝的计算最大值0.665作为损伤检测指标，对比表1可以判断其铰缝已完全破坏。同理可以得到3’’4铰缝、7’’8铰缝的损伤检测指标分别为0.123和0.377，损伤程度分别为：中度损伤和严重损伤。可以看出，4号梁的单板受力状态明显，需要立即进行铰缝维修加固。

5荷载试验验证

 为验证上述方法的正确性，进行多次铰缝损伤荷载试验，利用所测得的大量数据，在有限元模型中对铰缝损伤进行模型修正，以各铰缝损伤程度为待修正参数对初始有限元模型进行修正，使得理论计算曲线与实测挠度曲线相吻合，从而得到各铰缝较为准确的损伤程度。

 以4’’5铰缝为例，完好状态的理论计算值、模拟损伤后的理论计算值以及实测值的比较如图9所示。

从图9中可以看出，理论计算挠度的横向分布曲线较为平滑，各片梁受力较为均匀，而实际测得的曲线则是直接承受车轮的5号梁-7号梁受力突出，4’’5铰缝传力能力几乎丧失，7’’8铰缝传力能力亦大大降低。

 对各铰缝损伤程度进行模型修正后，其计算值与实测值较为吻合（见图9）。其中，3’’4铰缝、4’’5铰缝、7’’8铰缝的损伤度分别为50%、95%、70%。这说明，上节中所得铰缝损伤程度是比较准确的，利用检测指标进行损伤评估的结果具有相当的可信度。

6结语

 本文结合3D有限元分析、挠度监测、荷载试验，对空心板梁铰缝损伤机理进行研究，提出基于挠度监测的铰缝损伤定量评估方法，主要成果如下。

 1)铰缝相对位移不仅与铰缝的损伤程度有关，而且与车辆荷载大小、横向及纵向位置、位移测点有关，不能简单以跨中相对位移作为损伤程度的判别指标。

 2)定义相对位移与绝对位移的比值作为铰缝损伤的检测指标。

 3)通过各工况下的铰缝损伤有限元模拟，列出损伤检测指标用以定量评估铰缝损伤程度。

 4)提出在不中断交通的情况下进行空心板铰缝损伤的定量评估方法。

 5)通过荷载试验，采用铰缝损伤模型修正方法验证评估方法的正确性。