桥梁结构的损伤对其振动特性的影响

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1、桥梁结构的损伤对其振动特性的影响华再稳许瑞宁杨衡田恒张彬（贵州大学土木建筑工程学院）摘要：分析实际桥梁的各种损伤状况，采用MIDAS、ANSYS等有限元分析软件分析桥梁结构损伤时桥梁的固有频率变化及讨论桥梁结构对损伤的灵敏性，给出相关的操作过程。以模拟的简支梁、三跨连续梁、拱梁为例，进行了结构损伤程度的量化评估，验证本文分析的方法对实际工程的应用及桥梁结构损伤程度对桥梁工作性能的影响。分析结果表明：单一单元损伤引起固有频率影响很小;不同损伤程度和固有频率的关系曲线具有相似性,且三阶频率变化均比较明显。引言：桥梁是交通运输线路的重要组成部分，桥梁结构的健康状态是交通运输正常运

2、转的前提。由于设计、施工、管理、环境腐蚀、自然灾害等原因，目前已有不少桥梁出现老化、破损、裂缝等现象。如果桥梁结构一旦发生破坏，对国民经济、社会稳定和人民的生命财产具有直接的重大影响。尽管很早以来，人们就意识到对桥梁进行健康监测的重要性，但由于早期的健康监测技术比较落后，因此发生过一些惨痛的工程事故。例如，1992年比利时一座后张预应力混凝土桥倒塌；1994年韩国汉城的圣水大桥断塌；1999年重庆綦江县彩虹桥突然倒塌；2000年台湾高屏大桥事故；2001年四川宜宾南门大桥桥面断裂坍塌；2004年辽宁盘锦田庄台大桥跨塌等。这些事故不仅造成了很大的人员伤亡和经济损失，而且产生了

3、极坏的社会影响。另据有关资料显示[1]，美国现有近60万座桥梁，美国联邦公路管理局的统计数据表明：约有l／3的桥梁功能陈旧或有结构缺陷，需要修复，大概需要投资700亿美元，且估计每年有150～200座桥会倒塌；美国联邦公路局(FHWA)1989年的统计数据表明全美578，000座桥梁的41％在结构上存在缺陷：截至2003年，美国约有588，930座桥梁，而病害桥梁约为158，859座，约占桥梁总数的27％;在英国，据报道也有l/3的桥梁需要修复；在加拿大，为修复桥梁损坏的全部基础设施工程估计需耗费5000亿美元；在我国，交通量与日俱增，车辆载重不断提升，缺乏例行维修，不少桥

4、梁处于带病超负荷工作状态，尽管新桥不断建成投入使用，但同时更多的旧有桥梁到达或即将到达设计服役期，截止2000年底，我国的公路危桥为9,597座，公路桥梁每年实需维修费38亿元，实际到位仅8亿元。我国的公路、铁路交通事业已经发展到相当的规模，到2003年底全国公路网中有各式桥梁310，774座，累计长度达12，466，143延米，其中按《公路桥梁养护技术规范》归类为危险等级的桥梁为10,443座，计378,439延米。根据1994年秋统计结果，我国铁路桥梁共有病害桥6,137座，占桥梁总数的18．8％，其中混凝土桥2，675座，占病害桥梁的43．6％。可见桥梁工程结构的损伤

5、和破坏并不是个别现象，即使一个设计和施工都非常完美的结构，随着服役时间的延长和荷载的增加，结构出现损伤和破坏的概率也将不断增加。所以，为了保障结构的安全性、经济性和耐久性，通过一定的技术手段对桥梁结构的健康状况做出科学合理的监测和评估，并采取相应的措施以保证病害结构的安全运营，成为一个亟待解决的问题，随着测试手段和分析技术的提高，国内外新建的大跨度桥梁一般都在大桥上安装了桥梁结构健康监测系统，用于大桥实时或定期地进行长期健康监测，其中动力测试是主要监测手段。桥梁结构的受力特征在于其主要承受动载,随着高速公路、高速铁路桥以及大跨桥的发展,桥梁抗风、抗震及车振等的动力分析要求显

6、著提高,因而对于运营中的桥梁必须考虑结构存在的损伤对结构动力响应的影响。目前日益繁重的既有桥梁检测任务以及桥梁事故产生的严重后果,使得极具潜力的基于动力测试的损伤检测方法成为桥梁工程领域的热点问题,动力法损伤识别领域的研究已经取得很多理论成果,但由于动力测试水平的相对滞后,噪声干扰等原因使得动力法损伤识别在目前还难以运用于工程实践。而桥梁结构损伤对其动力特性影响方面的研究资料相对偏少,因此在分析桥跨结构的实际动载受力状况以及桥跨结构损伤先验知识的基础上,讨论各种不同损伤实际状况,并将各类具有代表性的桥跨结构损伤对相应桥跨结构的动力特性影响及影响的规律作详细的分析。桥跨结构损

7、伤对动力特性影响的分析一方面可以为各类动力响应分析提供因结构损伤导致的动力响应结果变化范围,使得动力分析更全面合理而更符合实际情况;另一方面为桥梁结构的动力法损伤识别的理论与更接近实际应用方法的发展提供基础资料。本文研究内容：本文在现有研究成果的基础上，结合桥梁的结构特征及其固有振动特性并为了更好、更有效地实施桥跨结构的动力法损伤识别，首先有必要了解桥跨结构的损伤及其对固有振动特性影响的先验知识。若能够有效利用此类信息，则既有助于建立更合理及符合工程实际的损伤识别算法，又可降低识别计算量。在此先按照构件承力特性来分