實測影響線法動力性能評價

龐 鵬 施尚偉

目前主要采取評價橋梁的自振特性以及動力響應這兩種方法進行橋梁動力性能研究,動載試驗中通過勻速跑車試驗來測定結構某載面的動撓度或動應變時間歷程曲線,這類曲線包含著與撓度、內力影響線密切相關的信息[1]。

通過必要的結構分析以及數據處理,可以分離出具有實際意義的實測影響線。通過對太平溪大橋沖擊振動的實測數據的系統分析和研究,成功的運用了實測影響線對連續拱橋的動力性能進行分析,并驗證了此方法在橋梁動力性能評價中的有效性。

1 工程概況

太平溪大橋位于重慶市萬州區境內,是一座3×80 m的鋼筋混凝土箱形懸鏈線無鉸拱橋,矢跨比 f0/L0=1/6,拱軸系數m=2.514,拱圈高1.5 m,拱圈全寬7.6m,采用40號混凝土。橋面全寬0.75 m(人道行)+7.00 m(車行道)+0.75 m(人道行)=8.50 m,雙車道設計。橋梁設計荷載標準為汽車—20級、掛車—100級,人群3.5 kN/m2。

2 結構模態分析

采用有限元模型對橋梁進行模態分析,分析結果見圖1。

3 動力試驗檢測

3.1 動力特性實測結果

采用跑車余振、脈動信號使結構產生自由振動,并通過時域分析以及FFT(快速傅立葉變換),識別結構的自振頻率[2]。大橋動力特性實測結果以及實測頻率 f實測與計算頻率f計算見表1。

表1 主跨結構動力特性檢測結果匯總

3.2 動力響應

在橋面無障礙情況下,采用一輛三軸加載車(32.08 t)居中勻速通過橋梁,車速分別為10km/h～50km/h,跑車和剎車試驗動力響應檢測結果見表2。

通過對動撓度和動應變時間歷程信號的分析處理,得到測試部位的應變增大系數[3]:

其中,εdmax為最大動應變;εjmax為最大靜應變。

各種車速跑車試驗的應變增大系數實測結果見表3。

表2 跑車、剎車試驗動力響應檢測結果

表3 跑車、剎車試驗動力響應檢測結果

3.3 實測影響線

對低速跑車試驗(10km/h)的動應變信號進行濾波處理得到準靜態分量以及相應測試部位的應變影響線。拱頂截面(J1)、拱腳截面(J3)實測應變影響線如圖2所示,圖2中給出了實測應變影響線,反映出移動荷載作用于結構不同位置對測試部位的影響。

4 動力試驗檢測結果分析

1)主拱前4階豎向彎曲自振頻率實測值分別為1.453 Hz,2.024 Hz,2.591 Hz以及3.206 Hz,與計算自振頻率的比值介于1.37～1.67之間,表明結構實際剛度大于計算剛度,同時驗證有限元計算模型的可靠性。2)10km/h～50km/h跑車試驗,中跨拱頂截面(J1)實測平均應變增大系數介于1.03～1.12之間,20km/h時最大,與同類橋型相比,J1截面的應變增大系數量值處于合理范圍,同時J1截面的動力增大效應與車速有較明顯的相關性[4]。3)分析圖2中的實測應變影響線可以得出,其與理論影響線相比,無明顯變異點有較高的一致度,同時驗證了實測應變影響線的有效性。4)在對圖2實測應變影響線以及圖1前4階彎曲振型的分析可以得出,中跨拱腳截面的應變影響線峰值區間與三、四階振型的峰值區間重疊,因三、四階振型頻率與車輛自振頻率接近,所以容易導致車橋耦合振動,這是沖擊效應偏大的主要原因之一。

[1] 舒紹云.動測參數評定梁式橋結構性能方法研究[D].重慶:重慶交通大學碩士學位論文,2008.

[2] 徐天慶,李德寅,熊健民.工程材料與橋梁結構的力學性能測試[M].北京:國防工業出版社,1997.

[3] 章關永.橋梁結構試驗[M].北京:人民交通出版社,2003.

[4] 施尚偉.萬州太平溪大橋荷載試驗檢測報告[R].重慶:重慶交通大學建筑工程質量檢測中心,2007.