基于動(dòng)載試驗(yàn)?zāi)B(tài)柔度分析法在大跨連續(xù)梁橋狀態(tài)評(píng)估中應(yīng)用

蘇交科集團(tuán)股份有限公司 / 楊超

引言

全橋承載能力相對(duì)可靠評(píng)估方法目前主要有傳統(tǒng)的靜載試驗(yàn)方法，在橋梁中斷交通情況下，對(duì)橋梁進(jìn)行加載試驗(yàn)，測(cè)量與橋梁結(jié)構(gòu)性能相關(guān)的靜力參數(shù)，如變形撓度、應(yīng)變、裂縫等，通過分析這些參數(shù)，可直接判定橋梁結(jié)構(gòu)的靜承載力。

本文根據(jù)一種用于OMA的頻域空間域分解法，將動(dòng)載試驗(yàn)與模態(tài)柔度方法相結(jié)合，在不通車條件下落錘模態(tài)試驗(yàn)或跑車激勵(lì)試驗(yàn)，可以在無需進(jìn)行有限元建模直接得到較為精確的模態(tài)比例因子，獲得橋梁結(jié)構(gòu)的模態(tài)柔度矩陣，從而可以僅用對(duì)交通干擾很小的動(dòng)載試驗(yàn)就可用實(shí)測(cè)動(dòng)力特性參數(shù)直接推算得到在靜載試驗(yàn)各工況下的結(jié)構(gòu)控制點(diǎn)撓度，從而大大簡(jiǎn)化了該方法后期分析的難度；項(xiàng)目還將研究采用簡(jiǎn)單工程有限元模型，并結(jié)合模型修正技術(shù)，通過運(yùn)行狀態(tài)模態(tài)分析技術(shù)，求取橋梁結(jié)構(gòu)靜柔度的方法。

1 工程實(shí)例分析

北澄子河大橋主橋上部結(jié)構(gòu)為三跨預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁，主橋箱梁0號(hào)塊位置處橫隔梁厚度為2.5m，邊跨端部處的橫隔梁厚度為1.8m。箱梁在底板橫橋向保持水平，頂板有2%的橫坡，并通過左右側(cè)腹板來調(diào)整橫坡。

在橋址附近，無規(guī)則振源的情況下，通過動(dòng)力測(cè)試采集系統(tǒng)，測(cè)定橋址處地脈動(dòng)隨機(jī)荷載激振而引起橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)，測(cè)得結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率、振型等動(dòng)力學(xué)特征。為了保證測(cè)試安全，北澄子河大橋的模態(tài)測(cè)試在封閉交通的單幅橋面上進(jìn)行，其激勵(lì)主要來自于地脈動(dòng)。由于對(duì)面的另一幅橋面處于正常通車狀態(tài)，因此激勵(lì)能量良好。測(cè)試中共設(shè)置了34個(gè)測(cè)點(diǎn)，布置于橋面兩側(cè)，使用13個(gè)單向加速度傳感器，采用16通道動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀分三批進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，其中還設(shè)置了兩個(gè)參考測(cè)點(diǎn)（見圖1）。同時(shí)為了確保測(cè)試的準(zhǔn)確，通過建立有限元仿真模型來與模態(tài)實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比表見表1。

圖1 北澄子河大橋振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置圖

表1 北澄子河大橋模態(tài)實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值對(duì)比表

2 模態(tài)撓度計(jì)算

利用北澄子河大橋的有限元模型，對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)振型質(zhì)量歸一化，按如下兩種方法計(jì)算靜載試驗(yàn)荷載作用下二個(gè)截面的試驗(yàn)?zāi)B(tài)撓度或靜力分析撓度，與其靜撓度實(shí)測(cè)值比較，說明采用動(dòng)載試驗(yàn)?zāi)B(tài)柔度分析法應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估的可行性和有效性。利用有限元模型對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)振型質(zhì)量歸一化，通過計(jì)算兩輛重載車加載作用三個(gè)荷載工況下二個(gè)截面的試驗(yàn)?zāi)B(tài)撓度和靜力分析撓度，與其靜撓度實(shí)測(cè)值比較，結(jié)果如表2所示，其中各撓度值的單位為mm，誤差為相對(duì)誤差。

表2 有限元模型的試驗(yàn)?zāi)B(tài)撓度和靜力分析撓度與靜撓度實(shí)測(cè)值的比較

圖2 跨中加載狀態(tài)下各個(gè)測(cè)點(diǎn)撓度實(shí)測(cè)值

圖3 跨中加載狀態(tài)下有限元模擬撓度實(shí)測(cè)值

在北澄子河大橋修正后有限元模型中進(jìn)行跨中加載，得到跨中有限元模型計(jì)算值。從表2中可見，主跨跨中截面、邊跨跨中截面靜力實(shí)測(cè)值和模態(tài)分析值已相當(dāng)接近，誤差小于10%，這對(duì)大跨度連續(xù)梁橋梁結(jié)構(gòu)來說是完全可以接受范圍。

3 結(jié)語

本文研究了從識(shí)別的復(fù)模態(tài)中提取實(shí)模態(tài)、以及基于簡(jiǎn)單工程有限元模型實(shí)現(xiàn)振型歸一和模態(tài)撓度計(jì)算等關(guān)鍵技術(shù)。針對(duì)江蘇省揚(yáng)州市省道S237北澄子河大橋，利用有限元通用分析軟件，建立了工程有限元模型，并基于試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了模型修正。利用修正后的有限元模型求得了模態(tài)比例因子，并估算了特定載荷下的撓度，得到良好結(jié)果。