公路橋梁動力特性試驗分析

王家偉

（定西交通工程試驗檢測有限公司，甘肅 定西 743000）

在改革開放以來，國內持續發展經濟，同時伴隨著城市化發展進程的推進，諸多多樣化的鐵路、公路以及城市高架等多樣化類型橋梁逐步被建設而出。不過伴隨著時間的逐步推移，相關橋梁往往會出現一定的損壞問題，同時因為交通壓力持續增進，所以對相關橋梁開展有針對性地檢測與增固顯得非常關鍵。而評定橋梁負荷承載能力的方法也較為多樣化，其中公路橋梁動力特性試驗是經常會運用到的檢測方式。

某高速公路于1995年底通車，至今已通車近26年。受多種因素影響，使用后不久，高架橋主梁上部的腹部板出現不同程度的裂縫，個別部位甚至出現表面混凝土剝落、鋼筋鋼絲外露等現象。脈動試驗用于測試三座高架橋的橋交叉結構的自振動特性，理論計算采用有限元數計算分析軟件ANSYS確定結構計算模型和模態分析。通過對試驗結果和理論解決方案的比較分析，得出了三座高架橋的現有質量和實際工作條件，以檢驗結構動能剛度是否符合設計要求，為后期橋梁加固提供依據。

1 工程概況

三座高架橋是某省國道主干線高速公路的三大橋梁，橋面分別為K131、533、K132、253、K136和293。三座高架橋的上部結構采用可變的橫截面連續箱梁，如5×45m的單箱預應力混凝土結構。下部結構為鋼筋混凝土薄壁外殼、鉆孔和填充混凝土樁的基礎。該橋按照平原微山地區公路雙向雙車道標準設計，單橋寬度為11×2×0.5 m，橋設計荷載：蒸汽-超越20，懸掛-120。

2 有限元計算

2.1 模型參數

本文根據等效剛度法將橋梁結構的彈性模數轉換為正常運行極限狀態。橋梁結構由混凝土C40制成，密度為2500kg/m3，彈性模組為43.5 GPa，泊松比例為0.2 。

2.2 單元選用

橋梁結構采用混凝土Solid45單元模擬。該單元用于構建由8個節點定義的三維固定結構，每個節點具有三個轉換自由度。橋梁支撐由MPC184單元組成。該裝置用剛性鋼筋和剛性光束模擬空間鉸鏈，每個鉸鏈有2或3節，支持扭矩和大變形。

2.3 有限元模型

計算模型基于設計圖紙，并使用ANSYS（一種大型通用有限元件軟件）進行建模。有限元模型考慮了橋梁結構的水平彎曲、垂直彎曲、縱向變形和橫向彎曲，并在橋支撐上增加了空間鉸鏈，釋放了橋的水平、垂直伸縮位移和支撐的旋轉位移，模擬了支撐限制，使計算結果接近真實，圖1所示為有限元模型。

圖1 有限元模型演示

2.4 有限元計算結果

自振動頻率和有限元模型的相應振動類型采用子空間的迭行法，計算橋梁模型的第一個第四階自振動頻率和相應的振動模式。

3 車-橋耦合振動模型的建立

3.1 車-橋耦合動力系統的分析方法

具有一定速度的車輛會在橋上產生一定的振動，橋梁本身也會產生一定的周期性振動，如果兩者相互影響，就會形成橋梁耦合振動理論。因此，橋梁的振動是一個相互耦合、相互影響的過程。

3.2 車-橋耦合模型運動方程的建立

由于橋面不均勻，車輛在行駛時受到路面不平整的影響，導致車輛自振動和車輛對橋面的力，因此假設車輪與橋面保持密切接觸，忽略車輪“跳躍”對橋面的影響，充分考慮橋面不平整的影響，運動協調的條件如下：

Y=y（x，t）+r（x），

其中，Y是車輛行動點的垂直位移，y（x，t）是車輛接觸點橋的垂直位移，r（x）是道路不平整程度的取值范圍。

3.3 車-橋耦合連續梁振動模擬分析

實際模擬某市路橋工程。這座橋的規模為73.2×82×73.2 m的混凝土箱梁橋。橋寬28m，單寬13.5 m，中間隔離區寬1m。橋梁設計負荷為公路I級。180型的伸縮接縫位于橋的兩端，主梁的橫截面設計為單室、單箱部分，上板為13.5 m，底板寬7m，支點寬5.2 m，由二級拋物線改變底板。為適應橋面水平排列和自重減重的特點，上翼邊緣板設置為外側橫向坡度3%。每個橫向跨度中支點等于主梁跨度的中間高度。箱體的外肚板為直肚板類型，厚度從箱梁體的下部到跨度中心有梯度。頂部板厚38cm。橋桿的基座是通過鉆漿建造的，基礎是鋼筋混凝土的膨脹基座。箱梁和橋梁均由C50混凝土制成。有限元件模型由MIDA S/CIVIL懸臂梁建模助手制造，結構設計為負載容量的五分之四，全橋有127節，114個單元。

在使用MIDAS/CIVIL有限元素軟件建模時，為了充分考慮模型可能與實際橋梁具有更高相似性的事實，有必要考慮橋梁結構的阻尼，并通過閱讀大量國內外文獻，確定該模型實現了更合適的結構阻尼。阻尼在橋梁技術中起著高耗能的作用，振動阻尼有利于橋梁的安全。阻尼的大小與橋梁耦合振動的強度直接相關，因此確定一個合適的阻尼系數對于整個計算的準確性非常重要。在建立了適當的阻尼系數后，應建立模型。

4 數值計算結果分析與比對

基于MIDAS/CIVIL對車橋耦合振動下欄桿板的垂直位移進行模擬分析。為了驗證數值計算結果的準確性，通過將數字計算的準確性和有效性與上述通過現場測量計算的值進行比較來驗證。并通過驗證結果確定橋梁的實際運行情況和實際承載能力是否符合規范。

動態負載測試儀采用橋梁偏轉探測器，儀器圖像數據傳輸速度為300Mb/s高速面陣列，可實現兩位測量，設備本身配備發動機，可自動旋轉。錄音方法采用動態高速記錄法，每秒可達300幀，可有效動態記錄結構、設備綜合設計，配備大容量可充電電池，耐用電源，保證設備穩定測量，測量最大距離500m，儀器還可以繪制最大偏轉、最小值、沖擊因子、間隔頻率和功率譜曲線。應用橋梁偏轉器對橋梁不同運行條件下的試驗進行分析，橋梁的動態偏轉試驗必須首先設定操作條件：車輛重量為30t，車速為30km/h。為了在測量時能夠輕松工作，通常選擇靜態偏轉測量點位于橋面上，而動態偏轉測量點可以同時使用橋面上的靜態偏轉測量點進行測量。在動態負荷試驗中，分別測量橋梁偏轉和邊跨度，由儀器提供的橋梁偏轉測量軟件對測量結果進行處理和分析，獲得實際測量的橋梁動態偏轉。

實際現場監控結果與本文中通過有限元計算機軟件計算的結果相似，已建立的模型具有較高的一致性，橋梁動態負載測試較為成功。在相同的操作條件下，邊向中跨度的垂直偏轉呈現出逐漸增加的趨勢，因為橋是一個跨度大、邊跨度小于中跨度的箱形梁橋，導致在靜態負載條件下，中跨度垂直位移大于邊緣跨度。另一方面，平均跨度長度較大，橋梁剛度系數相對較小，導致負載影響下的垂直位移。上述比較結果表明，它是利用負載測試方法識別橋梁載荷能力的直接有效手段，也是確定橋梁承重能力的可靠方法。雖然靜態試驗必須在實際橋載過程中同時進行，以消除橋梁本身的靜態偏轉，但從動態負載測試獲得的測試結果來看，只有進行動態負載測試時，其形成結果才與實際測量結果相近，但可以看出，動態負載對橋梁的影響遠遠大于靜態負載的效果。

5 動力特性測試

5.1 脈動試驗

脈動法是最常用的功率特性測量方法之一。脈動法是指在沒有橋面交通負荷的情況下，地面脈沖使橋梁對結構上的小振動做出反應，這些小振動通過高度靈敏的功率測試系統測量結構的自振動頻率。

5.2 高架橋的動力特性測試

上橋功率測試儀器包括超低頻選擇器、信號分析儀、動態數據采集和分析系統、充電電壓過濾器、集成放大器等。在高架橋功率特性的測試中，為了有效測量結構的動態性能，測量點應排列在振幅大、安裝方便的三個順序的第一個振動類型中。由有限元數計算的橋梁結構振動圖決定，在1SPAN3L/8和中翼展中各安裝1個拾取器，以測量橋梁的垂直振動。橋梁振動信號由筆記本電腦上的數據采集器記錄，DASYLab分析軟件對信號的時間域和頻率域進行分析，可獲取測量點的振動時域曲線和自力光譜曲線，從而獲得橋梁固有的振動頻率。

5.3 試驗結果

三座高架橋的脈動圖，A橋的振動光譜信號強，一階測得頻率為3.164 Hz，二階測量頻率為3.594 Hz，三階測量頻率為4.063 Hz；B橋的振動光譜信號強，一階測得頻率為3.242 Hz，二階測量頻率為3.711 Hz，三階測量頻率為4.010 Hz；C橋的振動光譜信號較弱，一階測得頻率為2.891 Hz，二階測量頻率為3.594 Hz，三階測量頻率為4.063 Hz。

6 結果匯總及分析

有限元計算結果和測量結果的匯總，在技術設計要求中，最重要的自振動頻率是低階頻率，為了了解三座高架橋的現有質量和實際工作條件，將第一個二階自振動頻率作為研究對象。

A高架橋的一、二階頻率最大，C高架橋的一、二階頻率為第二，B高架橋的一、二階頻率最少。圓形頻率的計算公式表明，結構的剛度越大，自振動的頻率就越大。另一方面，自振動頻率越小，B高架橋的動態剛度最大，C高架橋的動態剛度第二，B高架橋的動態剛度最小。C高架橋和B高架橋的一、二階頻率均高于理論計算值，B高架橋的一階頻率低于理論計算值，二階頻率大于理論計算值。C高架橋和A高架橋的結構動能剛度大于橋梁設計要求，施工安全，不需要加固；B高架橋的橫向動態剛度低于橋梁設計要求，結構對水平振動不安全，需要加固。

7 橋梁高墩各施工階段的有限元模型

橋空心薄壁橋墩約占所有橋墩的90%，選擇具有代表性的空心薄壁墩12號，采用米達斯有限元軟件對高梁的功率特征進行分析。梁單元以模型為模型，牢固確立了每個階段的前提條件。

大橋12號空心薄壁高52m，由于每個建筑部分為4m，元素造型有限，每個單元長度為0.5 m，模擬施工狀態，因此高梁分為13個施工階段進行建模、計算和分析。

在建模過程中，簡化了單個構造過程，實際結構中的內六邊形橫截面等于箱體部分，除考慮自身重量外，模板簡化為集中質量，位于高梁施工過程頂部，其他外部負載均簡化為垂直偏置負載，使用垂直集中力加相應的彎曲瞬間模擬，建設研究每個階段的結束。

8 結束語

（1）A高架橋的動態剛度最大，C高架橋的動態剛度位居第二，B高架橋的動態剛度最小。

（2）A高架橋和C高架橋的結構動能剛度符合設計要求，不需要加固；B高架橋結構剛度低，需要加固。