不同水深環境下橋梁群樁基礎動力特性

伍勇吉， 魏 凱， 龐于濤， 袁萬城

(同濟大學 土木工程防災國家重點實驗室, 上海 200092)

本文以某深水橋梁群樁基礎為工程背景，制作實體模型通過試驗來進行科學研究，采用了自由振動衰減法里的力錘激勵進行樁基模型在不同水深工況下的動力特性研究，同時利用有限元分析軟件ADINA進行數值模擬，最后將結構有限元分析和模型試驗結果進行了相互比較和討論，去驗證試驗方法的可行性與準確性，并探索一些水深變化對該模型結構動力特性的影響規律。

1 試驗模型、儀器設備及測試方法

在橋梁結構振動試驗中，常采用模態識別技術進行其動力特性(頻率、振型、剛度、阻尼等)測試，來了解它的振動狀態[11]。試驗模態參數識別可分為時域模態參數識別法和頻域模態參數識別法，目前，在橋梁工程上應用較多的是頻域法，根據不同激振方式，它又分為強迫振動法、環境隨機振動法和自由振動衰減法[12～14]。其中，強迫振動法也叫共振法，通常利用激振器械對結構進行連續正弦掃描，調節激振信號的頻率，使結構發生某階頻率共振，得到其頻率-幅值曲線(共振曲線)。環境隨機振動法是通過結構在自然環境下的振動響應來進行信號處理的一種方法。而自由振動衰減法是給結構一個瞬態激振力(初位移或初速度等)使結構產生振動，來得到該結構的自由振動衰減曲線，能使結構產生自由振動的方法很多，如錘擊、跳車、突然釋放等，該方法操作簡單，不需要激振器，具有較好的信噪比，在工程中具有一定的實用性和可靠性。故本文使用了結構自由振動衰減力錘激勵的方法對深水橋梁群樁基礎考慮水影響下的動力特性進行了有益的探索與研究。

本試驗需專門設計一座用于本試驗的磚石水池(一半地下開口方形階梯式)，以及一個試驗九樁鋼-混凝土組合結構橋梁樁基模型(以下簡稱“九樁模型”，縮尺比1/30)。測試系統主要儀器設備有：力錘、CA-YD-103型加速度傳感器、8通道TS5857電荷放大器、INV306U智能信號采集處理分析儀、裝有INV306U智能信號分析軟件的PC機以及相應的聯接電纜或信號線等。

1.1 試驗磚石水池

本水池設計為一半地下開口方形階梯式磚石水池。上主水池容積18 m3，凈寬a1=b1=3 m，凈高h1=2 m，為一般池；下附屬水池容積約2.6 m3，凈寬a2=b2=1.8 m，凈高h2=0.55 m，主要用于后期模型底板改造及加固，進一步使模型邊界條件理想化。其平立面圖如圖1、2所示。

圖1 試驗水池平面圖/mm

圖2 試驗水池1-1立面圖/mm

1.2 試驗九樁模型

模型最大尺寸：

lmax=6dmax=0.36 m，dmax=0.06 m ；

模型制作的最大縮尺比：

故擬定九樁模型的縮尺比為1/30，其構成部件及具體尺寸為：鋼管樁(樁徑60 mm，壁厚1.4 mm，樁間距150 mm，樁長2000 mm)，其下端樁長250 mm段及下鋼底板均嵌入后期在附屬水池澆筑的鋼筋混凝土內，形成端承樁；鋼板-混凝土組合承臺(600 mm×600 mm×300 mm)；鋼筋混凝土橋墩(200 mm×100 mm×1500 mm)。其中，混凝土均采用C25，其立面圖及實體圖如圖3、4所示。

圖3 九樁模型立面圖/mm

圖4 試驗水池及九樁模型實體圖

1.3 模態試驗設備連接示意圖

試驗儀器設備準備好之后，按如下示意框圖5進行連接。

1.4 測點布置及測試方法

動態測點布置前應根據理論計算的振型圖而盡量選擇在振型曲線峰值(即振動幅值)較大的控制面處，避免將測點布置在振型曲線上的節點處，為此試驗前首先應用Adina有限元分析軟件進行了該模型結構的動力特性分析，同時測點在平面上布置時，盡量設置在結構各段的剛度中心處。由于試驗時受到傳感器數量及配套設備的限制，本模型試驗利用單點激勵多點拾振的模態分離法[15]的思想，充分利用激振點和測量點的選擇來孤立和分離模態，使復雜的多模態(包括密集模態)結構表現出簡單模態的性態。因此，本次試驗在墩頂X、Y向中心處(分別為2、1點)，墩中X、Y向中心處(分別為4、3點)，承臺X、Y向中心處(分別為6、5點)，承臺X、Y向側邊處(分別為8、7點)、以及樁身X、Y向近1/2處(分別為10、9點)布置了傳感器(如圖3所示)。選擇隨機采樣模式，采用自由振動衰減法里的力錘觸發。按照水深分別為0、30、55、75、95、115、135、155、175、190、205 cm十一個工況來進行試驗。

圖5 模態試驗儀器設備連接示意框圖

2 試驗結果分析

按第1.4節試驗測試方法進行操作，試驗完成后，將收集得到的信號在裝有INV306U智能信號分析軟件的PC機上采用半功率帶寬法來進行處理提取數據，確定相應陣型的頻率。同時，應用Adina有限元分析軟件對圖4所示九樁模型分別在十一個不同水深工況下建立相應的三維實體有限元模型(圖6)，計算其動力特性，并將其相對應的各階有限元頻率值與試驗值分析對比圖及誤差比分別如圖7、表1所示。

圖6 三維實體有限元九樁模型

表1 不同水深各階模態試驗值與有限元值誤差比(%)

從圖7與表1中可以看出：(1)試驗值與理論值數值大小及變化趨勢基本一致，其相對誤差百分比小于5%，故本文中采用錘擊激勵的自由振動衰減法對群樁基礎模型進行模態試驗是成功的。(2)考慮水-結構相互耦合作用后，深水對結構的動力性能會產生影響，群樁基礎的一階側彎與扭轉陣型周期延長，頻率減小。(3)隨著水深不斷增加，水對結構動力特性的影響也逐漸增大，周期延長、頻率減小得愈快；并且當水深在承臺頂、底面區間內(水深150～205 cm)變化時結構周期頻率變化尤為明顯，即水影響也越強。

3 結 論

通過對本深水群樁基礎九樁模型的模態試驗以及有限元分析的結果，可以得到如下結論：

(1)利用錘擊法的自由振動衰減法對深水群樁基礎結構模型進行了單點激勵、多點拾振的模態試驗，與有限元理論分析的結果吻合較好，驗證了該試驗方案的整體設計、執行思路及試驗方法是成功的。

(2)要獲得較好的某階模態，動態測點布置前應根據理論計算的振型圖而盡量選擇在振型曲線峰值(即振動幅值)較大的控制面處，避免將測點布置在振型曲線上的節點處，且激振點應位于該階模態振幅最大或接近最大值處。

(3)考慮水-結構相互耦合作用后，水會對結構的動力特性產生明顯的影響，群樁基礎的一階側彎與扭轉陣型周期延長，頻率減小；隨著水深不斷增加，水影響也逐漸增大，周期延長、頻率減小得愈快；且水深在承臺頂底面區間內變化時，結構周期頻率變化尤為明顯，即水影響也越強。

實際上，橋墩、承臺、樁承受風、流、浪、震等惡劣自然環境作用，加上地震動、水流狀況性質特殊，所以群樁基礎與水的相互作用會更為顯著，整個群樁基礎系統的振動特性也尤為明顯，極有可能會引發樁基屈曲或失穩，影響著該橋梁墩樁結構的剛度與穩定性，甚至整座橋梁的安全性。通過本文知道水深變化如何影響結構的動力特性之后，怎樣去降低深水或水深變化對樁基結構動力特性的影響，使之有利于結構的抗震設計，值得我們進一步深入探討。

[1] 高 永. 大型橋梁高樁承臺群樁基礎抗震能力研究[D]. 上海: 同濟大學, 2009.

[2] Morrison J R, O′Brien M P, Johnson J W, et al. The force exerted by surface waves on piles[J]. Petroleum Transactions, AIME, 1950, 189: 149-154.

[3] Liaw C Y, Anil K C. Dynamics of towers surrounded by water[J]. Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 1974, 3(1): 33-49.

[5] 魏 凱, 伍勇吉, 袁萬城, 等. 橋梁深水群樁基礎動力特性數值模擬[C]//第19屆全國結構工程學術會議論文集(第Ⅲ冊). 北京:《工程力學》雜志社, 2010: 171-176.

[6] 魏 凱, 伍勇吉, 袁萬城, 等. 橋梁群樁基礎-水耦合系統動力特性數值模擬[J]. 工程力學, 2011, 28(s1): 198-199.

[7] Pang Yutao, Yuan Wancheng, Wei Kai, et al. Numerical Simulation in Dynamic Analysis of Deepwater Group Pile Foundation of Bridges[C]//2011 International Con- ference on Electric Technology and Civil Engineering (ICETCE), 2011: 492-495.

[8] Han R P S. A simple and accurate added mass model for hydrodynamic fluid--Structure interaction analysis [J]. Journal of the Franklin Institute, 1996, 333(6): 929-945.

[9] 高學奎, 朱 熹. 地震動水壓力對深水橋墩的影響[J]. 北京交通大學學報, 2006 , 30(1): 55-58.

[10] 賴 偉. 地震和波浪作用下深水橋梁的動力響應研究[D]. 上海: 同濟大學, 2004.

[11] 陳 新. 采用錘擊法對24 m預應力混凝土梁的模態試驗分析[J]. 鐵道標準設計, 2008, (6): 58-59.

[12] 周勇軍, 賀拴海, 宋一凡. 基于錘擊法的彎連續剛構模型橋動力試驗[J]. 振動、測試與診斷, 2007, 27(3): 1-5.

[13] 章關永. 橋梁結構試驗(第二版)[M]. 北京: 人民交通出版社, 2010.

[14] 趙迎祥, 盧永智, 隋 峰. 用共振法測定彈性梁固有頻率及振型[J]. 陜西師范大學學報(自然科學版), 1995, 23(3): 2-4.

[15] 張宏斌, 宋廣君, 張 哲, 等. 模態分離法在拱橋動載試驗中的應用[J]. 公路交通科技, 2005, 22(1): 66-68.