大跨度异型钢管混凝土拱桥典型病害分析及支座脱空影响研究_侯剑岭.pdf

书书书 振 动 与 冲 击 第 39 卷第 18 期J O U R N A LO FV I B R A T I O NA N DSH O C KV o l . 39 N o . 18 2020 基金项目 国家自然科学基金（51908015；51978021）；北京市教委一般项目（K M 201910005020） 收稿日期 2019 - 03 - 21 修改稿收到日期 2019 - 06 - 20 第一作者 侯剑岭 男，博士生，1990 年生 通信作者 许维炳 男，博士，副教授，1986 年生 大跨度异型钢管混凝土拱桥典型病害分析及支座脱空影响研究 侯剑岭1， 许维炳1， 陈彦江1， 张开达1， 孙 航2 （1.北京工业大学 建筑工程学院，北京 100124； 2.哈尔滨工业大学 交通科学与工程学院，哈尔滨 150001） 摘 要大跨度异型钢管混凝土拱桥在使用过程中易出现车致动力响应大等不利情况，现阶段造成该类型桥梁车 致动力响应显著的病害及其影响尚不明晰。以某典型大跨度异型钢管混凝土拱桥为研究对象，对该桥的典型病害进行了 调查，基于现场测试与理论分析，对该桥的典型病害及支座脱空病害的影响进行了研究。现场调查及测试结果表明支座 脱空会引起主梁伸缩缝两侧的差异沉降，导致桥梁受力状态变化，加剧车辆对主梁和吊杆的冲击作用。现阶段钢箱梁伸 缩缝附近和跨中位移冲击系数分别达到了1. 52和1. 15，吊杆力应力幅变化率为- 28. 0～ 18. 5；数值分析结果表明 支座脱空后钢箱梁和吊杆的车致动力响应变化显著；支座脱空将导致该桥主梁明显的顺桥向位移，且与主梁竖向位移达 到了相同量级；支座脱空后钢箱梁车致加速度峰值会显著增加，且当车辆荷载作用下支座与钢箱梁仍能发生相互碰撞时 影响更为显著；支座脱空后吊杆力应力幅变化显著，且其对短吊杆影响更显著；支座脱空是造成该类型桥梁钢箱梁、吊杆 等构件车致冲击响应显著变化的重要原因之一。 关键词大跨度异型钢管混凝土拱桥；病害影响；车-桥耦合振动；病害机理 中图分类号 U 448. 23； U 442. 55 文献标志码 AD O I 10. 13465/ j . c nki . j v s . 2020. 18. 021 T yp i c al d i s e as e s of l on g- s p anc on c r e t ef i l l e ds t e e l t u b ear c hb r i d ge s an dt h ee f f e c t s of t h evoi dof s u p p or t s H O UJ i anl i ng1， X UW e i b i ng1， C H E NY anj i ang1， Z H A N GK ai da1， SU NH ang2 （1. C o l l e g eo f A r c hi t e c t ur ea nd C i v i l E ng i ne e r i ng ， B e i j i ngU ni v e r s i t yo f T e c hno l o g y ， B e i j i ng 100124， C hi na ； 2.Sc ho o l o f T r a ns po r t a t i o n Sc i e nc ea nd E ng i ne e r i ng ， H a r bi n I ns t i t ut eo f T e c hno l o g y ， H a r bi n 150001， C hi na ） A b s t r ac t L o ng - s pa n c o nc r e t ef i l l e d s t e e l t ube（C F ST ） a r c h br i dg e so f t e n s uf f e rf r o ms e r i o usv e hi c l e - i nduc e d dy na m i cr e s po ns e s dur i ng s e r v i c e ， but t he r e a s o ns a nd e f f e c t s o f c e r t a i n r e m a r ka bl e v e hi c l e - i nduc e d dy na m i c r e s po ns e s a r e no t y e t de e pl ye x pl o r e d.T a ki ngat y pi c a l l o ng - s pa n C F STa r c h br i dg ea sar e s e a r c h o bj e c t ， i t st y pi c a l di s e a s e sw e r e i nv e s t i g a t e d.B a s e d o n t hef i e l d t e s t i nga nd t he o r e t i c a l a na l y s i s ， t het y pi c a l di s e a s e s a nd t hee f f e c t s o f s uppo r t s v o i d w e r e s t udi e d.T hef i e l d i nv e s t i g a t i o n a nd t e s t r e s ul t s s ho wt ha t t he v o i d o f m a i n g i r de r s uppo r t s c a us e s di f f e r e nt i a l s e t t l e m e nt o n bo t h s i de s o f t he e x pa ns i o n j o i nt ， a nd a g g r a v a t e s t he v e hi c l e i m pa c t o n t he m a i n g i r de r a nd s us pe nde r s .T he i m pa c t f a c t o r s o f di s pl a c e m e nt ne a rt hee x pa ns i o n j o i nt a nd m i ds pa n r e a c h 1. 52 a nd 1. 15 r e s pe c t i v e l y .T hev a r i a t i o n r a t eo f s t r e s s a m pl i t udei n s us pe nde r s i s be t w e e n - 28. 0 a nd 18. 5. T henum e r i c a l r e s ul t s s ho wt ha t t hev e hi c l e - i nduc e d dy na m i c r e s po ns e s o f t hes t e e l bo xg i r de r a nd s us pe nde r s c ha ng es i g ni f i c a nt l ybe f o r ea nd a f t e r s uppo r t s g e t v o i d.T hev o i d o f t he s uppo r t s c a us e s o bv i o us a l o ng - br i dg e di s pl a c e m e nt o f t he m a i n g i r de r ， w hi c h m a y r e a c h t he s a m e m a g ni t ude a s t he v e r t i c a l di s pl a c e m e nt .T hepe a k v a l ueo f v e hi c l e - i nduc e d a c c e l e r a t i o n o f t hes t e e l bo xg i r de r i nc r e a s e s s i g ni f i c a nt l ya f t e r s uppo r t s g e t v o i d， a nd t hei m pa c t w i l l be m o r e s i g ni f i c a nt w he n t he s uppo r t s a nd s t e e l bo x g i r de r a r e s t i l l a bl e t o c o l l i de w i t h e a c h o t he r unde r v e hi c l e l o a d.T he s t r e s s a m pl i t ude i n s us pe nde r s c ha ng e s r e m a r ka bl y a f t e r t he s uppo r t s g e t v o i d， a nd i t s e f f e c t o n s ho r t s us pe nde r s i s m o r eo bv i o us .T he v o i d o f s uppo r t s i s o ne o f t he m a i n r e a s o ns f o r t he s i g ni f i c a nt c ha ng e o f v e hi c l e - i nduc e d i m pa c t r e s po ns e s o f t hes t e e l bo xg i r de r ， s us pe nde r s a nd o t he r c o m po ne nt s o f t hi s t y peo f br i dg e . K e yw or d s l o ng - s pa n i r r e g ul a rc o nc r e t ef i l l e d s t e e lt ubea r c h br i dg e ； di s e a s ei m pa c t ； v e hi c l e - br i dg ec o upl i ng v i br a t i o n；di s e a s em e c ha ni s m ChaoXing 大跨度异型钢管混凝土拱桥跨越能力强、造型美 观，是城市和公路桥梁中的主要桥型之一。该型桥梁 主梁多采用钢箱梁，结构整体刚度较混凝土拱桥小，其 使用过程中的动力响应受车辆荷载作用影响显著，易 发生车辆诱发的多种病害［1］。 针对该型桥梁车致动力响应显著、病害形式多样、 受力体系复杂等特点，国内外学者开展了大量的研究。 R o e de r等［2］通过现场实测、数值模拟对一座振动响应 较大、疲劳开裂现象严重的钢系杆拱桥的病害原因进 行了研究、并建立了荷载谱对该桥的寿命进行了评估。 H ua ng ［3］研究了跨度 200 m以内中承式钢管混凝土拱 桥的动力特性和冲击系数，提出了相关计算公式。孙 潮等［4］收集了多座钢管混凝土拱桥的实测冲击系数， 通过对实测数据的回归分析得出了常规钢管混凝土拱 桥冲击系数的简化计算公式。杨建荣等［5］通过数值分 析研究了钢管混凝土系杆拱桥的车桥耦合振动，结果 表明局部构件的冲击系数较规范取值大。 L i等［6］通过 数值模拟详细研究了钢管混凝土拱桥车桥耦合振动， 并通过动力特性现场试验和数值模拟对加固后的钢管 混凝土拱桥进行了研究。 现阶段研究结果表明，大跨度异型钢管混凝土拱 桥病害频发，发生病害后该类桥梁的车致冲击效应有 显著变化，但造成该类型桥梁车致动力响应显著的病 害及其影响尚不明晰。为此，本文以一座典型的异型 钢管混凝土拱桥为研究对象，对该桥的典型病害进行 了系统的调查分析，并基于现场测试和理论分析研究 了该类桥梁支座脱空病害对其基本动力特性、车致动 力响应的影响规律。 1 工程概况 本文的研究对象为一典型的三跨飞燕式大跨度异 型钢管混凝土中承式拱桥，全长260 m ，孔径布置为 51 m 158 m 51 m ，如图1所示。主梁采用宽度为 40 m的钢箱梁（SB 1），长110. 8 m ，边跨采用预应力混 凝土梁与主桥V构固结，混凝土梁（C B 1、C B 2）总长 74. 6 m 。钢箱梁与混凝土箱梁连接牛腿处设有竖向支 座、横向限位支座。全桥共设置6根水平系杆，系杆布 置在中央分隔带区域。桥面上沿桥纵向双侧共设置32 根吊杆，南北两侧各16根。运营过程中出现行车舒适 性下降，车辆过桥动力响应显著等现象。 2 病害及影响实测分析 2. 1 典型病害 2. 1. 1 伸缩缝病害 该桥主梁两端伸缩缝分别采用D 80、D 160型模数 式伸缩缝，经现场调查，发现该桥主跨钢箱梁与边跨混 凝土箱梁间的伸缩缝存在止水带堵塞，锚固区局部开 裂破损，边横梁局部断裂，两侧存在明显差异沉降等病 害，如图2所示。 图1 桥型布置图（m ） F i g . 1 B r i dg el a y o ut （m ） 图2 伸缩缝病害 F i g . 2 D i s e a s e s o f e x pa ns i o n j o i nt 需要特别指出的是，封闭交通条件下，该桥伸缩缝 两侧最大高差达到10 m m （见图2（a ））；而在非封闭交 通条件下，车辆通过伸缩缝时，存在明显的桥头跳车现 象，车辆冲击造成的钢箱梁竖向、顺桥向振动显著，且 车辆冲击作用下伸缩缝两侧（钢箱梁与混凝土箱梁间） 的高差更为显著。针对此现象，对伸缩缝两侧相对位 移响应及车辆冲击下的主梁动力响应进行了专项测 试，相关实测结果见本文“2. 2”节。 2. 1. 2 支座病害 鉴于该桥在车辆荷载作用下出现了明显的车致动 力响应，而显著的车致动力响应与伸缩缝两侧高差及 桥梁的支座工作状态直接相关。为此，作者对该桥支 座的工作状态进行了详细的检查。该桥主跨钢箱梁在 东、西侧与混凝土梁连接的牛腿处分别采用固定和单 向滑动支座，支座类型均为竖向拉压球型支座，钢箱梁 以简支的形式支撑在牛腿上方，并在箱梁两侧设置了 横向限位支座。经现场调查，该桥横向限位支座技术 状况良好；而竖向支座顶部钢板与钢箱梁均存在焊缝 261振 动 与 冲 击 2020年第39卷 ChaoXing 开裂，局部脱离现象，无法为钢箱梁提供有效支撑，且 边支座较中支座脱离现象更为严重；此外，部分支座还 存在钢板锈蚀、防护橡胶破损、支座变形、位置偏移等 病害，如图3所示。 图3 支座病害 F i g . 3 D i s e a s e s o f s uppo r t 2. 1. 3 吊杆病害 由前文可知，伸缩缝病害和支座病害可能会显著改 变车致冲击效应，且支座病害可能会导致桥梁整体受力 体系的改变。对于吊杆拱桥，车致冲击响应和边界条件 的变化会直接引起吊杆力的改变。为此，作者对封闭交 通条件下吊杆的工作状态进行了调查。现阶段，多数吊 杆锚垫板及锚杯螺母均出现不同程度锈蚀，如图4所 示。吊杆两侧锚固段并未出现明显的连接状况异常。 图4 吊杆病害 F i g . 4 D i s e a s e s o f s us pe nde r 为进一步明晰吊杆现阶段的受力状态，基于频率 法对吊杆力进行测试分析。考虑吊杆的边界条件为铰 接，吊杆力可由式（1）确定［7 - 8］ F T 1 n24m l 2f2 n -n2π 2E I l 2 （1） 式中f为吊杆的基频；F T为吊杆力；m为吊杆的线密 度；l为吊杆的计算长度；n为分析阶数。表1给出了现 阶段该桥的吊杆力实测值。 表1 吊杆力 T ab . 1 S u s p e n d e rf or c e 吊杆编号索力/ kN S11 108. 22 S2823. 34 S3765. 21 S4940. 50 S51 092. 93 S6952. 10 S7928. 77 S8963. 82 吊杆编号索力/ kN S9898. 71 S10870. 59 S11871. 50 S12924. 61 S131 155. 60 S141 106. 28 S151 106. 18 S161 234. 17 吊杆编号索力/ kN N 1759. 09 N 2797. 34 N 3805. 38 N 4909. 83 N 5843. 00 N 6905. 90 N 7897. 30 N 8850. 93 吊杆编号索力/ kN N 9947. 43 N 10870. 59 N 11845. 87 N 121 027. 51 N 13990. 61 N 141 040. 28 N 15874. 34 N 16905. 38 现阶段全桥的吊杆力的总和为3. 00 104kN ，几 乎与钢箱梁自身质量3. 07 104kN相当，钢箱梁的质 量基本由全由吊杆承受，钢箱梁悬挂于拱肋之上，主跨 钢箱梁已近成为完全的“漂浮体”。这也从另一侧面表 明现阶段该桥钢箱梁的受力体系发生了显著的变化， 钢箱梁的竖向拉压支座已处于脱空状态。 综上分析可知，该桥的竖向拉压支座处于脱空状 态，而结合该桥近年来的定期检测结果，该桥地基并未 出现明显的差异沉降。由此可以初步判定，支座脱空 是造成伸缩缝两侧存在显著高差，吊杆单独承受主梁 自重荷载成为完全漂浮体系，以及该桥车致动力响应 显著等现象的重要原因之一。 2. 2 病害影响实测结果及分析 为明晰现阶段该类型桥梁典型病害对桥梁结构动 力响应和吊杆力的影响，分别在封闭交通条件下对桥梁 的基本动力特性，非封闭交通条件下对主梁动力响应及 吊杆动力响应进行了测试。测试前，分别在主跨1/ 2截 面、1/ 4截面、伸缩缝两侧、边跨1/ 2截面布置竖向加速 度测点（截面依次为D e c k1 ～ D e c k5）；在主跨1/ 2截面和 钢箱梁伸缩缝位置附近布置竖向动位移测点；在伸缩缝 之间布置相对位移测点。在封闭交通和桥梁正常运营时 对吊杆的加速度响应进行测试。测点布置如图5所示。 图5 测点布置图 F i g . 5 M e a s ur i ngpo i nt s l a y o ut 2. 2. 1 主梁动力响应 （1）基本动力特性 基于M A T L A B对环境激励下主梁的实测加速度信 361第18期 侯剑岭等大跨度异型钢管混凝土拱桥典型病害分析及支座脱空影响研究 ChaoXing 号进行频谱分析，该桥的主跨、边跨加速度响应的频谱 图，如图6所示。 图6 桥梁频谱图 F i g . 6 B r i dg es pe c t r um 由图6可知，边跨混凝土段的前两阶竖向自振频 率分别为3. 02 H z 、4. 20 H z ；主跨钢箱梁段的前两阶竖 向自振频率分别为0. 69 H z 、1. 93 H z 。钢箱梁的竖向 自振频率远小于混凝土箱梁的前两阶自振频率。结合 二者的质量可知，钢箱梁的一阶竖向刚度远小于边跨 砼梁的一阶竖向刚度，二者在车辆荷载作用下的动力 响应差异显著。在车辆荷载冲击、制动反复作用下，钢 箱梁与砼梁之间的变形差极易造成连接位置支座的疲 劳破坏［9］。而当支座发生病害后，钢主梁的前四阶竖 向自振频率与车辆自振频率范围均较接近［10］，车辆荷 载作用下其易发生多阶振型参与振动的现象，也加剧 了钢梁与砼梁连接支座的破坏可能。 为明确桥梁发生明显病害前后基本动力特性的变 化，表2给出了近年来该桥钢箱梁一阶竖向自振频率 及阻尼比统计。 表2 钢箱梁动力特性 T ab . 2 D yn ami cc h ar ac t e r i s t i c s of b r i d ge 检测时间 竖向一阶 频率/ H z阻尼比/ 2010年1. 8593. 30 2014年0. 9503. 87 2016年0. 8153. 00 2018年0. 6871. 47 由表2可知，随着服役年限的增加，该桥钢箱梁自振 频率呈减小趋势，阻尼比则呈现先增后减的趋势。结合 该桥的病害调查可知，该桥钢箱梁与混凝土箱梁的刚度 差异较大，车辆荷载作用下二者的竖向动力响应差异显 著，较大的动力响应差会导致连接处支座、伸缩缝的逐步 破坏，直至支座发生脱空。支座脱空造成钢箱梁的竖向 支撑刚度急剧减小，阻尼比也发生了显著的变化。需要 指出的是由于篇幅限制，作者在文中并未对钢主梁动力 特性对支座脱空的影响进行更进一步的分析。 （2）主梁位移响应 车辆通过伸缩缝时对钢箱梁产生了显著的冲击效 应。为明确伸缩缝处两侧钢箱梁与混凝土箱梁的相对 位移响应，在非封闭交通条件下，对钢箱梁与混凝土箱 梁相对动位移进行了测试。部分时段内伸缩缝两侧的 相对位移响应时程，如图7所示。 图7 相对位移时程曲线 F i g . 7 T i m ehi s t o r yc ur v e s o f r e l a t i v edi s pl a c e m e nt 由图7可知，车辆荷载作用下该桥伸缩缝两侧发生 显著的相对位移，相对位移幅值超过了21 m m 。为进一 步明晰车辆在伸缩缝和钢箱梁跨中产生的冲击效应，在 车辆荷载作用下，对测点D e c k1- D 、测点D e c k3- D进行了 动位移的测试，典型时段内测点动位移结果如图8所示。 图8 位移时程曲线 F i g . 8 T i m ehi s t o r yc ur v e s o f di s pl a c e m e nt 461振 动 与 冲 击 2020年第39卷 ChaoXing 由图8可知，主梁支座附近钢箱梁位移达幅值到 了18 m m ，跨中位移幅值达到了6 m m 。为进一步明晰 发生病害后，车辆对钢箱梁的冲击作用，利用上述测试 结果对响应位置处的冲击效应进行分析。冲击系数由 式（2）确定［11］。 μf d m a x f j m a x -1 f d m a x f d m a xfd m i n 2 -1（2） 式中f d m a x为最大动挠度波峰值；fj m a x取波形振幅中心 轨迹的顶点值；f d m i n为与fd m a x对应的动挠度波谷值。 通 过计算得出伸缩缝处相对位移冲击系数为1. 52，跨中 挠度冲击系数为1. 15。二者均已超过我国现行城市桥 梁设计荷载标准规定的该桥荷载冲击系数1. 10。 综上分析，支座脱空后该桥钢箱梁伸缩缝位置处 及跨中位移车致冲击效应十分显著。冲击效应的显著 增加会进一步加剧该桥病害的恶化。该类型桥梁典型 病害对车辆荷载作用下该类桥梁的冲击效应有显著影 响，在设计时应充分考虑到该桥易发病害的影响。 2. 2. 2 吊杆动力响应 为更真实的反映运营中车辆荷载对桥梁吊杆的冲 击作用，本文拟在实际交通流条件下获取对象桥梁时 变的吊杆力。在非封闭交通车辆荷载作用下，吊杆力 的振动信号是一种非平稳信号，本文采用H H T （H i l - be r t - H ua ngT r a ns f o r m ）方法结合带通滤波［12］对实际交 通荷载作用下对象桥梁的吊杆动力响应进行处理，获 取吊杆的时频图，具体如下 步骤1 吊杆振动信号获得 采用带通滤波方法对随机车流条件下的吊杆加速 度响应信号进行处理，获取吊杆的一阶模态振动信号。 步骤2 吊杆振动信号分解 将“步骤1”处理得到的吊杆振动信号通过E M D （E m pi r i c a l M o deD e c o m po s i t i o n）分解为若干个模态函 数（I nt r i ns i cM o deF unc t i o n， I M F ）分量和一个残余趋 势项 x （t ） ∑ n j 1 c j（t ） rn（t ） （3） I M F分量反映了原始振动信号在不同频段内组成 成分，式中c 1（1），c2（t ），c3（t ），，cn（t ）的频率分布是 由大到小排列的，r n（t ）为残余的趋势项。 步骤3 振动信号H H T变化 将E M D分解后的I M F 1分量进行H i l be r t变换 y （t ） 1 π p ∫ ∞ - ∞ x （τ ） t -τ dτ （4） 式中P为柯西主值；则信号x （t ）的变换信号z （t ）为 z （t ） x （t ） i y （t ） a（t ）e i θ （t ） （5） 式中 ■ i - 1；a（t ） x 2 y ■ 2；θ （t ） t a n- 1y x 。这里 a（t ）和θ （t ）分别为信号的瞬时振幅和瞬时相位，则瞬 时频率为 ω （t ） dθ dt （6） 则由式（3） ～式（6），可得吊杆力的时频曲线。取时频 曲线峰值即可计算得到动吊杆力，依据应力幅概念及 式（1），取某时段内吊杆的一阶频率均值可计算得到吊 杆力均值，则该段时间内吊杆力的应力幅α可由式（7） 确定。 1 αT 幅值 T 均值 （7） 限于篇幅，本文仅给出了吊杆S1、S8的时频分析 图，如图9所示。 图9 吊杆时频曲线 F i g . 9 T i m e - f r e que nc yc ur v eo f s us pe nde r 由图9，并依据式（3） ～式（7），计算得到吊杆S1 应力幅 为-28. 0 ～18. 5，吊 杆S8应 力 幅 为 - 24. 3 ～ 17. 5，支座脱空后该桥的吊杆力的车致 动力响应变化显著，且短吊杆更易受到病害的影响。 3 病害参数影响规律分析 为明晰原型桥梁典型病害产生的原因及参数影响 规律，针对病害发展的不同阶段，本节对原型桥车致桥 梁动力响应进行了分析。首先建立了该桥的数值分析 模型，主拱圈、主梁、边梁等关键构件均采用梁单元模 拟、吊杆采用桁架单元模拟。 需要特别说明的是根据现场调查及测试结果，原 型桥支座的工作状态是影响车致冲击效应改变的关键 因素；为有效模拟支座的工作状态，采用间隙单元对支 座进行模拟。该桥梁有限元分析模型，如图10所示。 561第18期 侯剑岭等大跨度异型钢管混凝土拱桥典型病害分析及支座脱空影响研究 ChaoXing 图10 桥梁有限元分析模型 F i g . 10 F i ni t ee l e m e nt a na l y s i s m o de l o f br i dg e 为不失一般性，数值分析的车辆模型采用三轴32 t 单车模型。车辆荷载简化为节点上瞬间作用后即消失 的冲击荷载，将其模拟为三角斜坡荷载，最大值F为车 辆轴质量，时间差由车辆的速度和节点的间距来确 定［13］，车辆行驶速度分别考虑为40 km/ h、60 km/ h和 80 km/ h。 鉴于原型桥的横向限位装置完好，车辆荷载作用 下该桥的横向动力响应很小，数值分析模型中按实际 情况对横向限位装置进行模拟。重点分析车辆荷载作 用下该桥钢箱梁在跨中和支座处的顺桥向、竖向动力 响应，以及吊杆力的动力响应。数值分析过程中共考 虑四种不同的计算工况。 工况1 支座处于理想状态，支座能够提供设计拉 压刚度，刚度为1 106kN/ m ； 工况2 支座与钢箱梁连接处焊缝开裂，支座完全 脱空，但在车辆行驶中支座与钢箱梁能发生相互碰撞， 结合现场测试设置支座与钢箱梁之间的间隙为3 m m ， 接触刚度为1 106kN/ m ； 工况3 支座与钢箱梁完全脱离，车辆荷载作用下 支座与钢箱梁相互之间不接触，设置支座与钢箱梁之 间的间隙为20 m m 。 3. 1 跨中主梁动力响应 3. 1. 1 竖 向 限于篇幅，图11仅给出了车速为80 km/ h时，三 种工况模拟车辆荷载作用钢箱梁跨中竖向位移时程 曲线。 图11 跨中竖向位移时程曲线 F i g . 11 T i m ehi s t o r yc ur v eo f v e r t i c a l di s pl a c e m e nt i n m i ds pa n 由图11可知，跨中竖向位移随病害程度的恶化发 生变化。图12分别给出了三种工况下钢箱梁跨中位 移峰值、加速度峰值对比。 图12 跨中竖向动力响应 F i g . 12 V e r t i c a l dy na m i cr e s po ns e i n m i ds pa n 由图12（a ）可知，钢箱梁跨中竖向位移峰值随车速 增大呈增大趋势。随着病害程度的恶化，车辆对钢箱 梁跨中挠度的影响先增大后趋于稳定。数值条件下， 支座脱空后车辆引起的跨中位移峰值增幅达到了 7. 2；由图12（b）可知，病害对跨中加速度峰值的影 响显著，呈先增大后减小的趋势。支座完全脱空但在 车辆行驶中支座与钢箱梁能发生相互碰撞（工况2）， 车辆会显著增加钢箱梁跨中加速度峰值。 3. 1. 2 顺桥向 限于篇幅，图13仅给出了车速为80 km/ h时，三 种工况模拟车辆荷载作用钢箱梁跨中顺桥向位移时程 曲线。 图13 跨中顺桥向位移时程曲线 F i g . 13 T i m ehi s t o r yc ur v eo f a l o ng - br i dg edi s pl a c e m e nt i n m i ds pa n 由图13可知，在工况1时跨中顺桥向基本不发生 位移，而在工况2、工况3时出现了显著的顺桥向位移 响应。图14分别给出了跨中顺桥向位移峰值、加速度 峰值对比。 661振 动 与 冲 击 2020年第39卷 ChaoXing 图14 跨中顺桥向动力响应 F i g . 14 A l o ng - br i dg edy na m i cr e s po ns ei n m i ds pa n 由图14（a ）可知，钢箱梁跨中顺桥向位移峰值随车 速增大呈增大趋势。随着病害程度的恶化，车辆对钢 箱梁顺桥向位移的影响呈增大趋势，支座脱空后车辆 引起的跨中位移峰值达到了1. 27 m m ；由图14（b）可 知，病害对跨中加速度峰值的影响显著，呈先增大后减 小的趋势。支座完全脱空但在车辆行驶中支座与钢箱 梁能发生相互碰撞（工况2），车辆会显著增加钢箱梁 跨中顺桥向加速度峰值。 综上所述，数值条件下，随支座病害程度的恶化，钢 箱梁跨中竖向位移峰值增幅达7. 2；钢箱梁跨中顺桥 向位移峰值受病害影响更大，支座完好不会发生顺桥向 位移，而支座脱空后其顺桥向位移与竖向位移达到了相 同量级；钢箱梁的加速度响应峰值受病害影响显著，随着 病害程度的恶化，其影响呈先增加后减小的趋势，支座发 生脱空但在车辆行驶中支座与钢箱梁能发生相互碰撞 时，车辆对钢箱梁加速度峰值的影响更为显著。 3. 2 支座附近主梁动力响应 限于篇幅，图15仅给出了车速为80 km/ h时，三种工 况模拟车辆荷载作用钢箱梁跨中顺桥向位移时程曲线。 图15 竖向位移时程曲线 F i g . 15 T i m ehi s t o r yc ur v eo f v e r t i c a l di s pl a c e m e nt 在工况1时支座处主梁基本不发生竖向位移，在 工况2支座脱空3 m m情况下，主梁位移在达到3 m m 时与支座发生碰撞，导致主梁位移曲线发生削峰现象。 工况3支座完全脱空不能提供支撑时，支座最大位移 达7 m m 。图16给出了支座附近主梁的竖向加速度峰 值对比。 图16 加速度峰值对比 F i g . 16 P e a k a c c e l e r a t i o n c o nt r a s t 由图16可知，随病害程度的恶化，车辆对该处加 速度的影响呈先增大后减小的趋势。在工况2时，该 处的加速度响应峰值要远大于其他工况，最大值达 8. 3 m/ s 2。需要指出是支座附近主梁的顺桥向位移幅 值及受病害影响的规律与跨中主梁的顺桥向位移幅值 及受病害影响的规律一致，在此不再赘述。 综上，随病害程度的恶化，支座位置处主梁的竖向 位移峰值增大，加速度峰值呈先增后减的趋势，在工况 2时主梁与支座发生碰撞，导致加速度响应急剧增大。 3. 3 吊杆力 为不失一般性，以端部短吊杆和跨中长吊杆为例，图 17给出了在不同车速和工况下两种吊杆应力幅值对比。 图17 吊杆应力幅值 F i g . 17 St r e s s a m pl i t udeo f s us pe nde r s 761第18期 侯剑岭等大跨度异型钢管混凝土拱桥典型病害分析及支座脱空影响研究 ChaoXing 由图17可知，随车速增大，S1、S8吊杆应力幅呈增 大趋势；随病害程度的恶化，S8吊杆应力幅先增后趋于 稳定，最大值达3. 3，S1吊杆应力幅呈增大趋势，最 大值达7. 3，短吊杆的动力响应更为明显。 综上，对于大跨度异型拱桥，钢箱梁与混凝土的刚 度差较大，车辆荷载作用易造成该型桥梁主梁支座发 生病害，而当桥梁支座发生病害后，其各位置的车致动 力响应规律将发生变化。支座脱空是造成该型桥梁主 跨钢箱梁及吊杆力车辆冲击作用显著变化的主要原因 之一。鉴于现阶段该桥的病害及其影响，为防止桥梁 进一步发生破坏，应及时更换破损支座、伸缩缝等构 件，并在条件允许的条件下在桥梁连接处增加L o c k- up 等减振措施［14］。 需要指出的是本文的数值分析方法并未考虑随机 车流和车辆空间分布的影响，同时本文并未对支座脱 空的根本原因进行更进一步的分析，相关研究将是作 者下一阶段工作的重点。 4 结 论 本文以某典型大跨度异型钢管混凝土拱桥为研究 对象，对该桥的典型病害进行了调查，基于现场测试与 理论分析，对造成该桥动力响应显著的典型病害及其 影响进行了系统的研究。结果表明 （1）由于该型桥梁主桥钢箱梁与引桥混凝土箱梁 的刚度差异大，二者在车辆荷载作用下的动力响应差 异显著，易造成连接位置处支座的损伤或破坏，进而造 成伸缩缝两侧高差，并可能导致吊杆单独承受主梁的 自重荷载；而伸缩缝两侧高差及吊杆单独承受主梁自 重荷载，又会进一步诱发钢箱梁、吊杆等构件车致动力 响应的显著变化，导致病害恶化；支座脱空后，该桥钢 箱梁与混凝土箱梁会出现了明显的相对位移，相对位 移幅值达21 m m ；车辆荷载作用下，钢箱梁支座位置处 和跨中位置处的位移冲击系数分别达到了1. 52和 1. 15，吊杆应力幅值变化范围在- 28. 0 ～ 18. 5，且 短吊杆更易受到病害影响。 （2）随支座病害程度的恶化，钢箱梁跨中竖向位移 峰值先增加后趋于稳定，钢箱梁跨中顺桥向位移峰值 受病害影响更大，支座脱空后其顺桥向位移与竖向位 移达到了相同量级；钢箱梁的加速度响应峰值呈先增 加后减小的趋势，支座发生脱空但在车辆行驶中支座 与钢箱梁能发生相互碰撞时，车辆对钢箱梁加速度峰 值的影响更为显著；支座位置处主梁的竖向位移峰值 呈增大趋势，加速度峰值呈先增后减的趋势，主梁与支 座发生碰撞会导致主梁加速度响应急剧增大；长吊杆 应力幅先增后趋于稳定，短吊杆应力幅呈增大趋势，短 吊杆应力幅受病害影响更为明显。支座脱空是造成该 类型桥梁钢箱梁、吊杆等构件车致冲击响应显著变化 的主要原因之一。 参 考 文 献 ［ 1 ］周水兴，李威.钢管混凝土拱桥常见病害成因分析［J ］. 重庆交通大学学报（自然科学版）， 2013， 32（增刊1） 738 - 741. Z H O U Shui x i ng ， L IWe i .C a us e so fc o m m o n di s e a s e so f C F ST a r c h br i dg e［ J ］. J o ur na lo fC ho ng qi ng