城市某人行天橋豎向自振頻率測(cè)試與分析

余志剛 （安徽建工集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230001）

1 引言

隨著城市交通功能的不斷完善，為了確保行人安全、行車(chē)流暢，城市人行天橋的數(shù)量日益增多。但人行天橋的振動(dòng)、晃動(dòng)會(huì)引起行人的恐慌和不安全感，為保證行人的舒適性，《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》（CJJ 69-1995）、《城市橋梁檢測(cè)與評(píng)定技術(shù)規(guī)范》（CJJ/T 233-2015）等規(guī)范均規(guī)定了人行天橋豎向振動(dòng)基頻的最低限值（不小于3Hz）。另外橋梁自振頻率的變化不僅能定性反映結(jié)構(gòu)損傷情況，還能定性反映恒載變化、結(jié)構(gòu)整體性能和受力體系的改變，同時(shí)利用儀器設(shè)備容易精確測(cè)量，用其評(píng)價(jià)橋跨結(jié)構(gòu)的剛度具有一定的可靠性。

2 工程概況

該人行天橋主橋平面呈“一”形，采用簡(jiǎn)支鋼桁架結(jié)構(gòu)，桁架跨徑為42.3m，全寬6.8m=0.25m（下弦桿）+0.15m（欄桿）+6m（人行道）+0.15m（欄桿）+0.25m（下弦桿）。主橋每端設(shè)置4根直徑為60cm的鋼管混凝土橋墩，橋墩上設(shè)置鋼蓋梁，鋼管混凝土橋墩與鋼蓋梁固接。主橋桁架、主墩蓋梁及框架、主墩鋼管采用Q345qC鋼，鋼管混凝土橋墩采用C40無(wú)收縮混凝土，鋼蓋梁內(nèi)灌注混凝土采用C30無(wú)收縮混凝土，橋面鋪裝采用C30聚合物纖維防水混凝土。該天橋在后期運(yùn)營(yíng)中在桁架頂部增設(shè)了玻璃頂棚，并增加了14道支撐橫梁。橋梁立面布置如圖1，標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置如圖2所示。

圖1 立面布置示意

圖2 橫斷面布置示意

3 自振頻率測(cè)試方法

3.1 測(cè)試方法

根據(jù)人行天橋的特點(diǎn)，測(cè)試其自振頻率可采用環(huán)境隨機(jī)激振法、人群跳動(dòng)激振法、人群跑動(dòng)激振法。

環(huán)境隨機(jī)激振法：是在橋面無(wú)任何交通荷載以及橋梁附近無(wú)規(guī)則振源的情況下，測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)，由于橋址處風(fēng)荷載、地脈動(dòng)、水流等隨機(jī)荷載激振而引起的橋跨結(jié)構(gòu)微幅振動(dòng)響應(yīng)。其具有不需要對(duì)橋梁進(jìn)行專(zhuān)門(mén)激勵(lì)的優(yōu)點(diǎn)，只要有高靈敏度的測(cè)量?jī)x器和高分辨率的譜分析設(shè)備就能測(cè)出結(jié)構(gòu)的自振特性。

人群跳動(dòng)激振法：是通過(guò)人群下落所產(chǎn)生的脈沖能量引起結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，在其他指定位置拾取結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)，對(duì)結(jié)構(gòu)的自振特性進(jìn)行識(shí)別。為了保證行人跳動(dòng)有效的激起天橋結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，需要足夠的人群重量。人群跳動(dòng)的位置可按所測(cè)結(jié)構(gòu)的振型來(lái)確定。

人群跑動(dòng)激振法：人群以不同的步速進(jìn)行跑動(dòng)，可以檢驗(yàn)天橋結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載作用下的受迫振動(dòng)特性。

3.2 采集方法

通過(guò)拾振傳感器、放大器、信號(hào)采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)拾取，并記錄橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)。其中信號(hào)采集系統(tǒng)一般可采用電磁式測(cè)試系統(tǒng)、壓電式測(cè)試系統(tǒng)、電阻應(yīng)變式測(cè)試系統(tǒng)或光電式測(cè)試系統(tǒng)。在選擇測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)注意選擇測(cè)振儀器的技術(shù)指標(biāo)，使傳感器、放大器、記錄裝置組成的測(cè)試系統(tǒng)的靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍、幅頻特性和幅值范圍等技術(shù)指標(biāo)滿(mǎn)足被測(cè)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性范圍的要求，測(cè)試儀表精度應(yīng)不大于預(yù)計(jì)測(cè)量值的10%。試驗(yàn)前，應(yīng)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行靈敏度、幅頻特性、相頻特性線(xiàn)性度等進(jìn)行標(biāo)定。

3.3 測(cè)試截面與測(cè)點(diǎn)布置

自振頻率的測(cè)試截面需根據(jù)橋跨結(jié)構(gòu)的振型特征和所需測(cè)試階數(shù)來(lái)確定，對(duì)于該簡(jiǎn)支鋼桁架結(jié)構(gòu)，拾振傳感器測(cè)點(diǎn)的布置可參照?qǐng)D3、圖4進(jìn)行。

圖3 測(cè)試截面示意

圖4 拾振傳感器測(cè)點(diǎn)橫向布置示意

3.4 結(jié)果分析

采用實(shí)測(cè)自振頻率評(píng)價(jià)橋跨結(jié)構(gòu)的剛度變化，應(yīng)符合以下規(guī)定：

①在橋梁結(jié)構(gòu)體系和恒載不變的情況下，宜采用既往實(shí)測(cè)自振頻率的初次值作為基準(zhǔn)頻率值，當(dāng)實(shí)測(cè)自振頻率小于基準(zhǔn)頻率值的90%時(shí)，因分析結(jié)構(gòu)剛度退化的原因。

②在橋梁結(jié)構(gòu)體系或恒載發(fā)生改變的情況下，可通過(guò)實(shí)測(cè)自振頻率與基準(zhǔn)頻率值的比較，分析目前結(jié)構(gòu)的剛度與結(jié)構(gòu)體系或恒載改變的關(guān)聯(lián)程度，基準(zhǔn)頻率應(yīng)采用改變前的最近一次實(shí)測(cè)自振頻率值。

4 自振特性測(cè)試結(jié)果分析

4.1 自振頻率計(jì)算值

根據(jù)設(shè)計(jì)資料利用Midas/civil建立該主橋空間有限元模型進(jìn)行動(dòng)力特性分析計(jì)算，可得到主橋一階豎向自振頻率和一階豎向振型如圖5、圖6所示。

圖5 主橋空間有限元模型

圖6 主橋計(jì)算一階豎向振型（f=4.01Hz）

4.2 自振頻率實(shí)測(cè)值

在2016年～2020年度橋梁定期檢測(cè)工作中，連續(xù)5年采用無(wú)線(xiàn)橋梁模態(tài)測(cè)試分析系統(tǒng)對(duì)該橋的一階豎向自振頻率進(jìn)行采集識(shí)別，具體結(jié)果如圖7、圖8、表1所示。

圖7 環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)時(shí)域信號(hào)

圖8 功率譜

通過(guò)表1可知：2016年～2017年度實(shí)測(cè)自振頻率完全吻合且大于計(jì)算值，表明在結(jié)構(gòu)體系和恒載不變的情況下，該時(shí)間段內(nèi)橋跨結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度未發(fā)生變化，且優(yōu)于理論剛度；2018年～2020年度實(shí)測(cè)自振頻率完全吻合，但明顯小于計(jì)算值和2016年～2017年度的實(shí)測(cè)值，表明在2018年度影響該橋自振頻率的相關(guān)因素發(fā)生了變化。

4.3 自振頻率偏差分析

通過(guò)以上分析可知，2018年～2020年度實(shí)測(cè)自振頻率3.91Hz與按實(shí)際調(diào)整恒載計(jì)算的自振頻率值3.89Hz基本吻合，表明該主橋結(jié)構(gòu)兩個(gè)階段實(shí)測(cè)自振頻率的變化主要與桁架頂部增設(shè)了玻璃頂棚、恒載發(fā)生改變有關(guān)。

自振頻率實(shí)測(cè)結(jié)果 表1

圖9 增設(shè)玻璃頂棚前

圖10 增設(shè)玻璃頂棚后

圖11 主橋增設(shè)玻璃頂棚后計(jì)算一階豎向振型（f=3.89Hz）

5 結(jié)語(yǔ)

①自振頻率與結(jié)構(gòu)剛度有著明確的關(guān)系，且通過(guò)儀器設(shè)備容易精確測(cè)得，因此利用自振頻率評(píng)價(jià)橋梁的剛度也具有較高的可靠性，可在橋梁驗(yàn)收檢測(cè)、養(yǎng)護(hù)檢測(cè)中推廣使用。

②橋梁自振頻率主要與結(jié)構(gòu)體系、恒載狀況、剛度有關(guān)，當(dāng)實(shí)測(cè)自振頻率值較基準(zhǔn)值發(fā)生變化時(shí)，需結(jié)合橋梁專(zhuān)項(xiàng)檢查進(jìn)行綜合分析判斷，如恒載變異狀況調(diào)查、支座脫空狀況檢查、結(jié)構(gòu)缺損狀況檢查等，分析各因素變化與自振頻率變化的關(guān)聯(lián)程度，避免誤判。

③恒載的增加而造成自振頻率的降低是既有橋梁運(yùn)營(yíng)過(guò)程中常見(jiàn)的情形，如人行天橋增設(shè)頂棚、原水泥混凝土橋面增設(shè)瀝青混凝土面層等，但值得關(guān)注的是隨意增加恒載會(huì)影響橋梁結(jié)構(gòu)（尤其是老橋）的承載能力，因此在此類(lèi)改造前須經(jīng)設(shè)計(jì)單位核算，確保結(jié)構(gòu)安全。

④用于評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)剛度變化的基準(zhǔn)頻率值宜采用初次實(shí)測(cè)值，建議在橋梁通車(chē)運(yùn)營(yíng)前完成初次值的采集，并作為竣工資料予以歸檔。