既有鋼管混凝土拱橋橋動力測試和有限元分析

王增新(蘭新第二雙線新疆公司,新疆 烏魯木齊 730070)

1 前言

隨著我國公路事業(yè)的迅速發(fā)展，我國的橋梁建設(shè)亦突飛猛進(jìn)。在理論研究、設(shè)計(jì)施工技術(shù)及材料研究應(yīng)用等方面都取得了快速的發(fā)展和提高，橋梁結(jié)構(gòu)形式也在不斷地被賦予新的內(nèi)容和活力。正由于鋼管混凝土、預(yù)應(yīng)力技術(shù)和各種橋梁施工方法等在下承式系桿拱橋中的應(yīng)用，同時(shí)由于其自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使該結(jié)構(gòu)在國內(nèi)各地得到越來越多的應(yīng)用和研究[1]。

橋梁的自振特性和在豎向動荷載（車輛移動與沖擊）激勵下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)是評價(jià)橋梁承載能力狀態(tài)的一個(gè)重要因素[2]。橋梁的振動問題影響因素復(fù)雜，僅靠理論分析還不能滿足工程應(yīng)用的需要，需要理論分析與實(shí)際測試相結(jié)合的方法解決，橋梁動載試驗(yàn)就成為解決該問題必不可少的手段。

結(jié)構(gòu)的動力分析主要研究結(jié)構(gòu)在動荷載（如行駛車輛、風(fēng)、地震荷載）作用下的力學(xué)行為，其內(nèi)容主要包括確定結(jié)構(gòu)的自振特性以及動力激勵源作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。其中自振特性是動力分析的基礎(chǔ)，是評定橋梁承載能力狀態(tài)的重要參數(shù)[3]。橋梁結(jié)構(gòu)的固有振動特性反映了橋梁結(jié)構(gòu)的整體狀態(tài)，它與橋梁結(jié)構(gòu)的材料、構(gòu)造、連接狀況、約束條件、結(jié)構(gòu)尺寸等因素密切相關(guān)；橋梁的強(qiáng)迫振動行為能綜合反映其自身的動力特性、車輛及其運(yùn)動特性、橋面鋪裝的平整狀況等因素。通過檢測橋梁的自由振動特性及在豎向動荷載（車輛移動與沖擊）作用下的強(qiáng)迫振動反應(yīng)來評價(jià)橋梁的動力性態(tài)。

2 橋梁動力測定、評價(jià)方法

1）動載試驗(yàn)的激振方法是動載試驗(yàn)必須使橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生有效的振動，常用的有自由振動法和共振法[4]。

(1)自振法：自振法又稱瞬態(tài)激振法，它是使橋梁產(chǎn)生有阻尼的自由衰減振動，記錄到的振動圖形是橋梁的衰減振動曲線。采取行車激振法(15～60kg/h)、沖擊激振法或剎(跳)車激振法，使橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生自由振動，以測取有衰減的自由振動曲線。

(2)共振法：又稱強(qiáng)迫振動法，它是利用激振器對結(jié)構(gòu)施加激振力，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)迫振動。改變激振力的頻率而使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，并借助共振現(xiàn)象來確定結(jié)構(gòu)的動力特性。在橋梁的動載試驗(yàn)中，常采用載重車隊(duì)以又低到高的不同速度駛過橋梁，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度的強(qiáng)迫振動。在若干次運(yùn)行車輛荷載試驗(yàn)中，當(dāng)某一行駛速度產(chǎn)生的激振力的頻率與結(jié)構(gòu)的固有頻率相接近時(shí)，結(jié)構(gòu)便產(chǎn)生共振現(xiàn)象，此時(shí)結(jié)構(gòu)的各部位的振動響應(yīng)達(dá)最大。在車輛駛離橋跨以后，結(jié)構(gòu)作自由衰減振動，這時(shí)可由記錄的波形曲線分析得出結(jié)構(gòu)的動力特性。

2）動力測定評價(jià)方法對于某一橋梁結(jié)構(gòu)來講，它的幾何尺寸、材料和邊界條件是確定的，那么它的結(jié)構(gòu)靜力特性就唯一確定了。隨著橋梁的使用，其結(jié)構(gòu)工作性能會發(fā)生變化，反映出來的現(xiàn)象是裂縫的出現(xiàn)和擴(kuò)展、剛度降低、變形增大。同樣，結(jié)構(gòu)各參數(shù)一經(jīng)確定，其結(jié)構(gòu)動力特性也唯一地確定了，隨著橋梁結(jié)構(gòu)工作性能的變化，它的結(jié)構(gòu)動力性能的變化表現(xiàn)出頻率和動剛度的下降、阻尼增加、振幅加大等；因此，只要掌握了橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性及其與靜力特性之間的相關(guān)關(guān)系，就可以以動力特性推斷出橋梁結(jié)構(gòu)的靜力特性，從而獲得橋梁結(jié)構(gòu)全部力學(xué)特性資料，評價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)。

3 工程實(shí)例

西寧市海湖路大橋?yàn)橹谐惺戒摴芑炷凉皹?凈跨為80m，矢高20.25m.主拱圈分三段采用16MNq 鋼板,內(nèi)填C40 混凝土，焊接成型后拼裝成整體拱，由三道鋼橫撐連接兩側(cè)鋼拱，采用拋物線拱軸線方程，吊桿采用73φ7 高強(qiáng)度鍍鋅鋼絲，縱系梁和橫梁為預(yù)應(yīng)力施工，采用C40 混凝土澆注。引橋采用預(yù)應(yīng)力空心板梁。橋臺基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋梁寬度為全寬32.2 米，設(shè)計(jì)荷載為雙向4 車道，汽-20 掛—100，人群荷載3.5 kPa。

橋梁的自振特性和在豎向動荷載（車輛移動與沖擊）激振下的動力響應(yīng)是評價(jià)橋梁承載能力狀態(tài)的一個(gè)重要因素。結(jié)構(gòu)的動力分析主要研究結(jié)構(gòu)在動荷載（如行駛車輛、風(fēng)、地震荷載）作用下的力學(xué)行為，其內(nèi)容主要包括確定結(jié)構(gòu)的自振特性以及動力激勵源作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。其中自振特性是動力分析的基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)固有振動特性反映了結(jié)構(gòu)的整體狀態(tài)，它與結(jié)構(gòu)的材料、構(gòu)造、連接狀況、約束條件、結(jié)構(gòu)尺寸等因素密切相關(guān)；橋梁的強(qiáng)迫振動行為能綜合反映其自身的動力特性、車輛及其運(yùn)動特性、橋面鋪裝的平整狀況等因素。

1）動力測試截面布置原則

從結(jié)構(gòu)的構(gòu)造特點(diǎn)、外觀檢查和分析結(jié)果、結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的安全性等方面考慮，按如下原則確定動力測點(diǎn)位置：① 最大豎向動位移發(fā)生處；② 最大動應(yīng)力發(fā)生點(diǎn)；③ 典型振動反應(yīng)發(fā)生點(diǎn)；④ 便于現(xiàn)場試驗(yàn)的實(shí)施。海湖橋動力測試截面如圖1所示。

圖1 海湖橋動力測試截面示意圖

2）結(jié)構(gòu)動力測試測點(diǎn)布置

① 動態(tài)應(yīng)變測點(diǎn)布置：在D-D 截面處1#、2#拱肋、F-F 截面1#、2#主梁分別布設(shè)1個(gè)動應(yīng)變測點(diǎn)，共計(jì)4個(gè)動應(yīng)變測點(diǎn)。

② 動位移測點(diǎn)布置：在D-D 截面處1#、2#拱肋、F-F 截面1#、2#主梁分別布設(shè)1個(gè)動位移測點(diǎn)，共計(jì)4個(gè)動位移測點(diǎn)。

③ 振動測點(diǎn)布置：在橋跨跨中截面橋面上布設(shè)3個(gè)振動器（即：D-D 截面橋面上布置1個(gè)豎向、1個(gè)順向、1個(gè)橫向振動器）、D-D 截面處1#、2#拱肋上分別布置1個(gè)橫向和縱向振動器,；C-C 截面布置1個(gè)豎向、1個(gè)順向、1個(gè)橫向振動器；總計(jì)10個(gè)振動器。

3）試驗(yàn)檢測相應(yīng)的傳感器位置為：

（1）脈動測試測點(diǎn)布置：

① 脈動試驗(yàn)檢測豎向傳感器測點(diǎn)布置位置為：橋梁D-D 截面；C-C 截面;

② 脈動試驗(yàn)檢測橫橋向水平傳感器測點(diǎn)位置為：橋梁D-D 截面；C-C 截面;

③ 脈動試驗(yàn)檢測順橋向水平傳感器測點(diǎn)位置為：橋梁D-D 截面；C-C 截面；

（2）跑車、跳車、剎車測點(diǎn)布置：

① 跑車、跳車、剎車試驗(yàn)檢測橋梁豎向傳感器測點(diǎn)布置位置為：橋跨D-D 截面、橋跨C-C截面；

② 跑車、跳車、剎車試驗(yàn)檢測橋梁橫向傳感器測點(diǎn)布置位置為：橋跨D-D 截面、橋跨C-C截面；

③ 跑車、跳車、剎車試驗(yàn)檢測橋梁順橋向水平傳感器測點(diǎn)位置為：橋跨D-D 截面、C-C 截面；

4）動態(tài)信號現(xiàn)場測試儀器及其組合形態(tài)。（如圖2 所示）

圖2 動態(tài)信號采集示意圖

5）測試結(jié)果分析

（1）結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)測試

為檢測橋梁結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)性能，并使試驗(yàn)?zāi)馨踩M(jìn)行，調(diào)用載重汽車（總重372kN）進(jìn)行動載試驗(yàn)，分別進(jìn)行了單車30km/h、40km/h、50km/h的勻速跑車試驗(yàn)、10km/h 跳車試驗(yàn)和30km/h 制動試驗(yàn)，記錄了橋梁各特定測試截面的振動反應(yīng)。

為檢測橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性，實(shí)際檢測采用10km/h 跳車的余振波形和脈動波形對橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性進(jìn)行分析。

（2）結(jié)構(gòu)動力特性

結(jié)構(gòu)動力特性測試通過兩種方式記錄了結(jié)構(gòu)各特定測點(diǎn)的動態(tài)反應(yīng)信號：

①利用動態(tài)激勵加載產(chǎn)生對結(jié)構(gòu)的激振，測試結(jié)構(gòu)的余振波形信號；

②采用脈動法(環(huán)境隨機(jī)激振法)，在現(xiàn)場測試和記錄各測點(diǎn)對大地脈動(激勵源)的響應(yīng)信號。通過對橋梁結(jié)構(gòu)各特定測點(diǎn)余振波形及脈動波形的數(shù)據(jù)分析確定結(jié)構(gòu)的動力特性（頻率、阻尼等）；

6）有限元建模與分析

采用ANSYS 進(jìn)行有限元計(jì)算。考慮到鋼管混凝土拱軸的特性，即鋼管混凝土拱軸是由鋼管和混凝土2 種特性不同的材料構(gòu)成，因此，在建立結(jié)構(gòu)空間有限元模型時(shí)采用Beam188 雙單元來模擬鋼管混凝土拱肋；吊桿采用只受拉不受壓的Link10 單元；橋面板只考慮重量，不考慮其剛度；用等效外力模擬預(yù)應(yīng)力鋼筋的作用；橫梁與系桿連接處采用剛接；邊界條件為4個(gè)支撐點(diǎn)鉸支；共產(chǎn)生545個(gè)單元,514個(gè)節(jié)點(diǎn)。鋼管混凝土拱橋有限元計(jì)算模型見圖3。結(jié)構(gòu)前4 階自振特性理論計(jì)算結(jié)果如4～圖7 和表1 所示所示。

圖3 鋼管混凝土拱橋有限元計(jì)算模型

圖4 第一階振型

圖5 第二階振型

圖6 第三階振型

圖7 第四階振型

表1 海湖路橋理論計(jì)算自振特性

7）結(jié)構(gòu)動力特性測試結(jié)果

在拱橋跨中截面處的橋面和主拱肋上分別放置橫向、橫向和縱向傳感器，測試了橋跨結(jié)構(gòu)在不同車輛行進(jìn)條件下的結(jié)構(gòu)振動反應(yīng)，通過對所記錄的振動時(shí)程反應(yīng)曲線的整理分析，得到結(jié)構(gòu)自由振動的基本性態(tài)。動力特性測試結(jié)果如表2所示。

表2 海湖路橋動力測試結(jié)果及評價(jià)

8）結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)測試結(jié)果

通過對特定測試截面動應(yīng)變、動位移及強(qiáng)迫振動時(shí)程曲線的分析，得到載重汽車作用下結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)如表3 所示。

表3 海湖路橋動力反應(yīng)測試結(jié)果

4 結(jié)論

1）通過對以上數(shù)據(jù)的分析比較，得到海湖路橋結(jié)構(gòu)理論計(jì)算基頻小于實(shí)測基頻值，特別是豎向?qū)崪y頻率高于理論計(jì)算值，說明橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際剛度目前仍然滿足要求，偏于安全。同時(shí)也說明結(jié)構(gòu)梁板目前工作性能正常[5][6]。

2）根據(jù)結(jié)構(gòu)的動力系數(shù)的實(shí)測值，說明橋面的平整程度正常，橋梁結(jié)構(gòu)的行車性能目前還處在正常范圍。

3）橋梁結(jié)構(gòu)的阻尼比能夠反映出橋梁結(jié)構(gòu)耗散外部能量輸入的能力。通過對本次實(shí)測的阻尼比的分析，說明橋梁結(jié)構(gòu)耗散外部能量輸入的能力仍然正常，也表明橋梁結(jié)構(gòu)未發(fā)生影響使用的結(jié)構(gòu)性開裂，橋梁支座部位工作狀態(tài)正常。

總之，理論計(jì)算和動力試驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合是橋梁動力性能分析的可靠方法。理論模態(tài)分析通過建立有限元模型可以提供橋梁結(jié)構(gòu)詳細(xì)的物理與模態(tài)特征。實(shí)橋動力測試可以獲得橋梁真實(shí)的動力特性,理論計(jì)算與動力試驗(yàn)相結(jié)合可以從多方面綜合考慮、分析理論上或試驗(yàn)中遇到的問題,兩者相互校核能更全面、更客觀地反映橋梁結(jié)構(gòu)的動力性能。

[1]宋一凡.公路橋梁荷載試驗(yàn)與結(jié)構(gòu)評定[M].北京:人民交通出版社,2001

[2]劉自明.橋梁工程檢測手冊[M].北京:人民交通出版社,2001

[3]李廣馥.橋梁動力測定評價(jià)方法[J].2000(4):2

[4]《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2004).[M]

[5]《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D62-2004).[M]

[6]施尚偉,舒紹云,趙劍.鋼管混凝土拱橋動力試驗(yàn)與動力性能分析[J].公路交通技術(shù),2008,8(4):31-35.