實測影響線法動力性能評價

龐 鵬 施尚偉

目前主要采取評價橋梁的自振特性以及動力響應(yīng)這兩種方法進(jìn)行橋梁動力性能研究,動載試驗中通過勻速跑車試驗來測定結(jié)構(gòu)某載面的動撓度或動應(yīng)變時間歷程曲線,這類曲線包含著與撓度、內(nèi)力影響線密切相關(guān)的信息[1]。

通過必要的結(jié)構(gòu)分析以及數(shù)據(jù)處理,可以分離出具有實際意義的實測影響線。通過對太平溪大橋沖擊振動的實測數(shù)據(jù)的系統(tǒng)分析和研究,成功的運用了實測影響線對連續(xù)拱橋的動力性能進(jìn)行分析,并驗證了此方法在橋梁動力性能評價中的有效性。

1 工程概況

太平溪大橋位于重慶市萬州區(qū)境內(nèi),是一座3×80 m的鋼筋混凝土箱形懸鏈線無鉸拱橋,矢跨比 f0/L0=1/6,拱軸系數(shù)m=2.514,拱圈高1.5 m,拱圈全寬7.6m,采用40號混凝土。橋面全寬0.75 m(人道行)+7.00 m(車行道)+0.75 m(人道行)=8.50 m,雙車道設(shè)計。橋梁設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)為汽車—20級、掛車—100級,人群3.5 kN/m2。

2 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

采用有限元模型對橋梁進(jìn)行模態(tài)分析,分析結(jié)果見圖1。

3 動力試驗檢測

3.1 動力特性實測結(jié)果

采用跑車余振、脈動信號使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生自由振動,并通過時域分析以及FFT(快速傅立葉變換),識別結(jié)構(gòu)的自振頻率[2]。大橋動力特性實測結(jié)果以及實測頻率 f實測與計算頻率f計算見表1。

表1 主跨結(jié)構(gòu)動力特性檢測結(jié)果匯總

3.2 動力響應(yīng)

在橋面無障礙情況下,采用一輛三軸加載車(32.08 t)居中勻速通過橋梁,車速分別為10km/h～50km/h,跑車和剎車試驗動力響應(yīng)檢測結(jié)果見表2。

通過對動撓度和動應(yīng)變時間歷程信號的分析處理,得到測試部位的應(yīng)變增大系數(shù)[3]:

其中,εdmax為最大動應(yīng)變;εjmax為最大靜應(yīng)變。

各種車速跑車試驗的應(yīng)變增大系數(shù)實測結(jié)果見表3。

表2 跑車、剎車試驗動力響應(yīng)檢測結(jié)果

表3 跑車、剎車試驗動力響應(yīng)檢測結(jié)果

3.3 實測影響線

對低速跑車試驗(10km/h)的動應(yīng)變信號進(jìn)行濾波處理得到準(zhǔn)靜態(tài)分量以及相應(yīng)測試部位的應(yīng)變影響線。拱頂截面(J1)、拱腳截面(J3)實測應(yīng)變影響線如圖2所示,圖2中給出了實測應(yīng)變影響線,反映出移動荷載作用于結(jié)構(gòu)不同位置對測試部位的影響。

4 動力試驗檢測結(jié)果分析

1)主拱前4階豎向彎曲自振頻率實測值分別為1.453 Hz,2.024 Hz,2.591 Hz以及3.206 Hz,與計算自振頻率的比值介于1.37～1.67之間,表明結(jié)構(gòu)實際剛度大于計算剛度,同時驗證有限元計算模型的可靠性。2)10km/h～50km/h跑車試驗,中跨拱頂截面(J1)實測平均應(yīng)變增大系數(shù)介于1.03～1.12之間,20km/h時最大,與同類橋型相比,J1截面的應(yīng)變增大系數(shù)量值處于合理范圍,同時J1截面的動力增大效應(yīng)與車速有較明顯的相關(guān)性[4]。3)分析圖2中的實測應(yīng)變影響線可以得出,其與理論影響線相比,無明顯變異點有較高的一致度,同時驗證了實測應(yīng)變影響線的有效性。4)在對圖2實測應(yīng)變影響線以及圖1前4階彎曲振型的分析可以得出,中跨拱腳截面的應(yīng)變影響線峰值區(qū)間與三、四階振型的峰值區(qū)間重疊,因三、四階振型頻率與車輛自振頻率接近,所以容易導(dǎo)致車橋耦合振動,這是沖擊效應(yīng)偏大的主要原因之一。

[1] 舒紹云.動測參數(shù)評定梁式橋結(jié)構(gòu)性能方法研究[D].重慶:重慶交通大學(xué)碩士學(xué)位論文,2008.

[2] 徐天慶,李德寅,熊健民.工程材料與橋梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能測試[M].北京:國防工業(yè)出版社,1997.

[3] 章關(guān)永.橋梁結(jié)構(gòu)試驗[M].北京:人民交通出版社,2003.

[4] 施尚偉.萬州太平溪大橋荷載試驗檢測報告[R].重慶:重慶交通大學(xué)建筑工程質(zhì)量檢測中心,2007.