大跨連續鋼構橋動力特性分析

摘 要：以某大跨度連續剛構橋為工程背景，利用大型通用有限元分析軟件ANSYS 建立該橋的空間實體模型，計算分析橋梁的自振頻率及相應振型。結合動力荷載試驗以及結構固有模態參數的實橋測試，了解橋跨結構的動力特性以及各控制部位在使用荷載下的動力性能，為大橋以后的運營養護管理提供必要的數據和資料。

關鍵詞：連續剛構橋；動力特性；有限元分析；動載試驗

1 前言

大橋主橋為三跨預應力鋼筋混凝土連續剛構橋，跨徑布置為：62.78m+110m+62.78m=235.56m，大橋全寬24.5m，左右半幅橋面寬度均為11m，中央帶間距2.5m。

該橋采用懸臂澆筑法施工，梁體采用單箱單室三向預應力變高度箱型斷面。箱梁根部高 6.5m，跨中段梁高 2.5m。主橋橋墩采用雙肢薄壁實體橋墩，主橋上部結構箱梁混凝土采用C50，主橋墩身采用C40混凝土，承臺及樁基、引橋橋墩及橋臺混凝土采用 C30。

2 有限元分析

采用大型通用有限元分析軟件ANSYS建立空間實體模型，經分析大橋的前3階頻率如表1所示，模態如圖1所示。

3 動載試驗

通過動力荷載試驗以及結構固有模態參數的實橋測試，了解橋跨結構的動力特性以及各控制部位在使用荷載下的動力性能（振幅、速度、加速度及沖擊系數等），除了可用來分析結構在動荷載作用下的受力狀態外，還可驗證或修改理論計算值，并作為結構設計的依據，為大橋以后的運營養護管理提供必要的數據和資料。

3.1 脈動試驗-自振頻率測試

脈動試驗通過采用高靈敏度的拾振器和放大器測量結構在環境激勵下的振動，然后進行譜分析，求出結構自振特性。通過對拾振器拾取的響應信號進行譜分析，可確定橋梁的自振頻率分和振型。

將傳感器置于測點上，由其拾取橋梁結構在大地脈動作用下的振動響應，采樣時間30分鐘，采樣頻率為100Hz。

從上表可以看出，縱向漂移振型的第一階頻率為0.781Hz，比計算值0.2234Hz相比大了許多，這其中主要的原因是計算模型對大橋兩端邊界條件模擬的誤差，計算模型中按理想狀態考慮主梁兩端均為縱向滑動支座，不提供任何縱向約束剛度。實際主梁兩端的伸縮縫和支座，在大橋發生自振這種位移極其細微的運動的條件下，給結構提供了較強的縱向彈性約束。

大橋豎向振動的測試頻率比計算頻率略大，反映出大橋剛度滿足設計要求。

3.2 跑車試驗-沖擊系數測試

動力荷載作用于結構上，會在結構上產生應變與撓度，相應的可用測試儀器采集控制斷面的動應變或動撓度，動應變（動撓度）一般較同樣的靜荷載作用所產生的相應靜應變（撓度）大。動應變（撓度）與靜應變（撓度）的比值稱為活荷載的沖擊系數。由于應變（撓度）反映了橋跨結構在荷載作用下的受力情況，是衡量結構性能的主要依據，因此活載沖擊系數綜合地反映了動力荷載對橋梁結構的動力作用，它與結構型式、車輛運行速度和橋面的平整度等有關。

根據橋梁結構特點，在橋面無任何障礙的情況下，本次試驗選用一輛300kN 重載車分上行和下行兩種情況，分別以10、20、30、40、50 的均勻速度（km/h）通過測試橋跨，以測定橋梁在各種行車速度下測試斷面的響應動力時程曲線和最大動位移值。各車速下的實測沖擊系數值分別為 1.06、1.08、1.05、1.07、1.06。從實驗結果可以看出在行車速度為20km/h時，沖擊系數達到最大值1.08，試驗測得的沖擊系數總體稍大于按照設計規范計算的沖擊系數。

3.3 跳車試驗與剎車試驗

對于跳車試驗，根據橋梁結構特點，在橋面無任何障礙的情況下，本次試驗選用一輛300車分上行和下行兩種情況，以30均勻速度越過測試橋跨上高度為15的障礙物，以測定橋梁測試斷面的響應動力時程曲線和最大動位移增量值。跳車試驗獲得的豎向振動基頻為1.367Hz，第2階頻率為1.953Hz，實驗結果與環境振動試驗的結果吻合良好。

對于剎車試驗，本次試驗選用一輛300重載車分上行和下行兩種情況，以40速度通過測試橋跨跨中時緊急剎車，以測定橋梁在各種行車速度下測試斷面的響應動力時程曲線和最大動位移值。剎車試驗測試得到的豎向振動基頻為1.367Hz，第二階頻率為1.953Hz，縱向振動基頻為0.879Hz。實驗結果均與環境振動試驗的結果吻合良好，剎車試驗與環境振動試驗的正確性可以得到相互驗證。

4 結束語

4.1 大橋自振頻率實測值普遍高于計算值，說明結構實際剛度要大于設計剛度，大橋的動力性能和整體受力性能較好。

4.2 在行車速度為20km/h時，沖擊系數達到最大值1.08。試驗測得的沖擊系數總體稍大于按照設計規范計算的沖擊系數（豎向彎曲振動基頻為1.367Hz，沖擊系數計算值為1.05）。這與橋面鋪裝、結構形式、駕駛員行車習慣等有關。

參考文獻

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作者簡介： 婧（1980-），女，工程師，主要從事橋梁設計方面工作。