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(nèi)持續(xù)發(fā)展經(jīng)濟(jì)，同時伴隨著城市化發(fā)展進(jìn)程的推進(jìn)，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(shè)而出。不過伴隨著時間的逐步推移，相關(guān)橋梁往往會出現(xiàn)一定的損壞問題，同時因為交通壓力持續(xù)增進(jìn)，所以對相關(guān)橋梁開展有針對性地檢測與增固顯得非常關(guān)鍵。而評定橋梁負(fù)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(jīng)常會運(yùn)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(xiàn)不同程度的裂縫，個別部位甚至出現(xiàn)表面混凝土剝落、鋼筋鋼絲外露等現(xiàn)象。脈動試驗用于測試三座高架橋的橋交叉結(jié)構(gòu)的自振動特性，理論計算采用有限元數(shù)計算分析軟件ANSYS確定結(jié)構(gòu)計算模型和模態(tài)分析。通過對試驗結(jié)果和理論解決方案的比較分析，得出了三座高架橋的現(xiàn)有質(zhì)量和實際工作條件，以檢驗結(jié)構(gòu)動能剛度是否符合設(shè)計要求，為后期橋梁加固提供依據(jù)。

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(jié)構(gòu)采用可變的橫截面連續(xù)箱梁，如5×45m的單箱預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。下部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土薄壁外殼、鉆孔和填充混凝土樁的基礎(chǔ)。該橋按照平原微山地區(qū)公路雙向雙車道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，單橋?qū)挾葹?1×2×0.5 m，橋設(shè)計荷載：蒸汽-超越20，懸掛-120。

2 有限元計算

2.1 模型參數(shù)

本文根據(jù)等效剛度法將橋梁結(jié)構(gòu)的彈性模數(shù)轉(zhuǎn)換為正常運(yùn)行極限狀態(tài)。橋梁結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)采用混凝土Solid45單元模擬。該單元用于構(gòu)建由8個節(jié)點定義的三維固定結(jié)構(gòu)，每個節(jié)點具有三個轉(zhuǎn)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(jié)，支持扭矩和大變形。

2.3 有限元模型

計算模型基于設(shè)計圖紙，并使用ANSYS（一種大型通用有限元件軟件）進(jìn)行建模。有限元模型考慮了橋梁結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)位移，模擬了支撐限制，使計算結(jié)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(jié)果

自振動頻率和有限元模型的相應(yīng)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(yīng)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(tǒng)的分析方法

具有一定速度的車輛會在橋上產(chǎn)生一定的振動，橋梁本身也會產(chǎn)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(yùn)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(dǎo)致車輛自振動和車輛對橋面的力，因此假設(shè)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(yùn)動協(xié)調(diào)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(xù)梁振動模擬分析

實際模擬某市路橋工程。這座橋的規(guī)模為73.2×82×73.2 m的混凝土箱梁橋。橋?qū)?8m，單寬13.5 m，中間隔離區(qū)寬1m。橋梁設(shè)計負(fù)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(shè)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(yīng)橋面水平排列和自重減重的特點，上翼邊緣板設(shè)置為外側(cè)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(chǔ)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(jié)構(gòu)設(shè)計為負(fù)載容量的五分之四，全橋有127節(jié)，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(jié)構(gòu)的阻尼，并通過閱讀大量國內(nèi)外文獻(xiàn)，確定該模型實現(xiàn)了更合適的結(jié)構(gòu)阻尼。阻尼在橋梁技術(shù)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(qiáng)度直接相關(guān)，因此確定一個合適的阻尼系數(shù)對于整個計算的準(zhǔn)確性非常重要。在建立了適當(dāng)?shù)淖枘嵯禂?shù)后，應(yīng)建立模型。

4 數(shù)值計算結(jié)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(jìn)行模擬分析。為了驗證數(shù)值計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，通過將數(shù)字計算的準(zhǔn)確性和有效性與上述通過現(xiàn)場測量計算的值進(jìn)行比較來驗證。并通過驗證結(jié)果確定橋梁的實際運(yùn)行情況和實際承載能力是否符合規(guī)范。

動態(tài)負(fù)載測試儀采用橋梁偏轉(zhuǎn)探測器，儀器圖像數(shù)據(jù)傳輸速度為300Mb/s高速面陣列，可實現(xiàn)兩位測量，設(shè)備本身配備發(fā)動機(jī)，可自動旋轉(zhuǎn)。錄音方法采用動態(tài)高速記錄法，每秒可達(dá)300幀，可有效動態(tài)記錄結(jié)構(gòu)、設(shè)備綜合設(shè)計，配備大容量可充電電池，耐用電源，保證設(shè)備穩(wěn)定測量，測量最大距離500m，儀器還可以繪制最大偏轉(zhuǎn)、最小值、沖擊因子、間隔頻率和功率譜曲線。應(yīng)用橋梁偏轉(zhuǎn)器對橋梁不同運(yùn)行條件下的試驗進(jìn)行分析，橋梁的動態(tài)偏轉(zhuǎn)試驗必須首先設(shè)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(tài)偏轉(zhuǎn)測量點位于橋面上，而動態(tài)偏轉(zhuǎn)測量點可以同時使用橋面上的靜態(tài)偏轉(zhuǎn)測量點進(jìn)行測量。在動態(tài)負(fù)荷試驗中，分別測量橋梁偏轉(zhuǎn)和邊跨度，由儀器提供的橋梁偏轉(zhuǎn)測量軟件對測量結(jié)果進(jìn)行處理和分析，獲得實際測量的橋梁動態(tài)偏轉(zhuǎn)。

實際現(xiàn)場監(jiān)控結(jié)果與本文中通過有限元計算機(jī)軟件計算的結(jié)果相似，已建立的模型具有較高的一致性，橋梁動態(tài)負(fù)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(zhuǎn)呈現(xiàn)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(dǎo)致在靜態(tài)負(fù)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(shù)相對較小，導(dǎo)致負(fù)載影響下的垂直位移。上述比較結(jié)果表明，它是利用負(fù)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(tài)試驗必須在實際橋載過程中同時進(jìn)行，以消除橋梁本身的靜態(tài)偏轉(zhuǎn)，但從動態(tài)負(fù)載測試獲得的測試結(jié)果來看，只有進(jìn)行動態(tài)負(fù)載測試時，其形成結(jié)果才與實際測量結(jié)果相近，但可以看出，動態(tài)負(fù)載對橋梁的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于靜態(tài)負(fù)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(fù)荷的情況下，地面脈沖使橋梁對結(jié)構(gòu)上的小振動做出反應(yīng)，這些小振動通過高度靈敏的功率測試系統(tǒng)測量結(jié)構(gòu)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(tài)數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)、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(jié)構(gòu)的動態(tài)性能，測量點應(yīng)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(shù)計算的橋梁結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)采集器記錄，DASYLab分析軟件對信號的時間域和頻率域進(jìn)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(jié)果

三座高架橋的脈動圖，A橋的振動光譜信號強(qiáng)，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(qiáng)，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(jié)果匯總及分析

有限元計算結(jié)果和測量結(jié)果的匯總，在技術(shù)設(shè)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(xiàn)有質(zhì)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(jié)構(gòu)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(tài)剛度最大，C高架橋的動態(tài)剛度第二，B高架橋的動態(tài)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(jié)構(gòu)動能剛度大于橋梁設(shè)計要求，施工安全，不需要加固；B高架橋的橫向動態(tài)剛度低于橋梁設(shè)計要求，結(jié)構(gòu)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(dá)斯有限元軟件對高梁的功率特征進(jìn)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(tài)，因此高梁分為13個施工階段進(jìn)行建模、計算和分析。

在建模過程中，簡化了單個構(gòu)造過程，實際結(jié)構(gòu)中的內(nèi)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(zhì)量，位于高梁施工過程頂部，其他外部負(fù)載均簡化為垂直偏置負(fù)載，使用垂直集中力加相應(yīng)的彎曲瞬間模擬，建設(shè)研究每個階段的結(jié)束。

8 結(jié)束語

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

（2）A高架橋和C高架橋的結(jié)構(gòu)動能剛度符合設(shè)計要求，不需要加固；B高架橋結(jié)構(gòu)剛度低，需要加固。