何文正，吕延晖

（1.重庆广播电视大学，重庆 401520；2.重庆黔江区住房和城乡建设委员会，重庆 409000）

0 引言

系杆拱桥是由系杆承担主拱水平推力的桥型，由于其外形美观、跨越能力大、对地基要求不高，被广泛应用于现代桥梁建设中（见图1和图2），特别在江南地区，由于河网密集、有航道要求、部分桥址地质情况较差，系杆拱桥在此类地区有广泛的应用。但是伴随着经济的飞速发展，交通量有大幅提升，加之服务年限的延长及施工缺陷等原因，相当数量的系杆拱桥出现了构件老化开裂、吊杆损伤等病害，这些病害严重影响了桥梁的安全性和耐久性，严重者甚至导致桥梁的整体垮塌。根据目前的统计，系杆拱桥的垮塌基本上都是由于吊杆的断裂所致，因此，吊杆病害的识别对保证此类桥梁的安全及其重要，如能采用简便有效的方法及时准确识别吊杆损伤位置和程度，就可以及时对其更换或维护，这样不但可以避免严重事故的发生，还可以节省大量维修加固费用。通过动力特性变化对系杆拱桥进行损伤检测识别是一个新颖的课题，具有重要的理论意义和良好的应用前景。

图1 涌温铁路雁荡山特大桥

图2 哈大客运专线新开河特大桥

目前，系杆拱桥的动力响应问题研究已经取得一系列的成果。施洲等[1]采用脉动法测试了某拱桥的自振特性，获得了各工况下桥跨结构的挠度时程响应。欧耀文等[2]进行了某大跨度钢管混凝土系杆拱桥静动载试验，评价了桥梁工作状态。吴庆雄等[3]开展了系杆拱桥车致振动响应测试，重点分析了拱肋和桥面的加速度、速度动力响应和冲击系数。陈宝春等[4]分析了挠度限值对钢管混凝土拱桥振动的控制作用。Morcou 等[5]通过有限元分析研究了吊杆/拱肋连接处以及拱肋面外稳定性。张燕青[6]发现吊杆力分布将直接影响到系杆拱桥结构内力分布的均匀性。Ju 等[7]建立了车桥耦合振动有限元分析模型，研究了系杆拱桥的共振频率。施颖等[8]采用有限单元法研究了人群荷载下系杆拱桥消能减振装置对振动的控制效果。徐岳震[9]通过对比成桥前后吊杆力变化，发现吊杆力受活载影响较大。

本文主要目的在于完成基于振动测试的现役刚性系杆拱桥损伤检测技术研究的部分先导工作，基于数值分析手段，分析刚性系杆拱桥的吊杆遭受损伤后的动力学特征参数变化，为下一步工作提供数据。

1 数值模拟

本次模拟分析以浙江湖州某刚性系杆拱桥为工程背景，该桥为下承式预应力混凝土系杆拱桥，跨径76.6m，计算矢高15.32m，拱轴线为抛物线，拱肋截面为圆形截面，截面外径800mm，横向两条拱肋。系梁为120×60cm 矩形断面预应力混凝土系梁，吊杆为柔性平行钢丝束。

由于吊杆对系杆拱桥整体安全性极为重要，为了分析吊杆结构损伤对动力特性的影响，本文以吊杆为研究对象，考虑不同的损伤工况，用ANSYS 建立了有限元分析模型，通过吊杆刚度折减模拟钢丝断裂或杆件应力损失，损伤工况如下。

（1）跨中附近吊杆损伤

工况1：无损伤；

工况2：跨中附近吊杆损伤40%；

工况3：跨中附近吊杆断裂。

（2）端部吊杆损伤

工况1：无损伤；

工况2：端吊杆损伤40%；

工况3：端吊杆断裂。

2 分析结果

整理计算结果，损伤导致的自振频率变化见表1，各工况下拱肋的曲率模态差曲线见图3和图4所示。

表1 自振频率变化

从计算结果可以看出，吊杆发生损伤后，各阶自振频率有一定的下降，但不明显，频率指标对吊杆损伤不敏感。但是从图3和图4可知，曲率模态差曲线能较好地显示损伤的位置，且能够对损伤程度进行定性判断，曲率模态差指标对吊杆损伤较为敏感。

图3 跨中吊杆损伤曲率模态差

图4 端吊杆损伤曲率模态差

3 结论

为了揭示刚性系杆拱桥吊杆损伤后的动力特性变化，本文采用有限元法对湖州某混凝土刚性系杆拱桥动力特性进行分析，分析了四种吊杆损伤工况下桥梁动力特性变化，得到如下结论：

（1）吊杆损伤会导致系杆拱桥自振频率的下降，损伤程度越大则下降幅度越大，但是总体上频率对吊杆损伤不敏感；

（2）曲率模态差曲线能较好地显示损伤的位置，且能够对损伤程度进行定性判断。