波形鋼腹板組合梁橋振動特性測試與分析

陳建兵，胡 洋，萬 水

(1.蘇州科技學(xué)院 土木工程系，江蘇 蘇州 215011;2.中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司 江蘇分公司，南京 210012;3.東南大學(xué) 交通學(xué)院，南京 210096)

采用波形鋼腹板代替混凝土腹板對減輕混凝土箱梁橋自重起很大作用［1］，法國、挪威、韓國、日本等國這種結(jié)構(gòu)已被廣泛應(yīng)用［2-3］，在國內(nèi)實際應(yīng)用的波形鋼腹板梁的優(yōu)點也已初見端倪［4］。

迄今，國內(nèi)對波形鋼腹板混凝土組合箱梁的研究還局限于靜力學(xué)特性方面，對其動力學(xué)特性研究則很少，特別是波形鋼腹板組合梁橋振動特性的研究更少見報道。本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上［5］，結(jié)合我國首座波形鋼腹板組合箱梁公路橋——潑河大橋的現(xiàn)場振動試驗，采用有限元法對該橋結(jié)構(gòu)進行振動特性分析，其研究結(jié)果將為波形鋼腹板組合箱梁橋的振動性能研究及抗震設(shè)計提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 工程概況

潑河大橋是我國建成的首座波形鋼腹板組合梁橋(圖1)，位于河南光山縣213省道上，橋長120 m，跨徑組合4×30 m，橋?qū)?3.0 m+2×1.5 m，設(shè)計荷載為公路—Ⅰ級，橫向結(jié)構(gòu)為四梁式如圖2所示。腹板傾角為20°，主梁頂、底板混凝土厚為15 cm，橋面鋪裝層為15 cm厚的現(xiàn)澆混凝土和3 cm厚的瀝青混凝土。施工方法為先簡支后連續(xù)，于2005年7月建成。

2 實橋自振特性測試

2.1 測試儀器

圖1 潑河大橋概貌

圖2 潑河大橋橫向組成

信號采集和分析系統(tǒng)采用東華測試技術(shù)公司生產(chǎn)的DH-5935動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)，傳感器為配套的DH107電壓式加速度傳感器，通頻帶為0.2～500.0 Hz，電荷靈敏度為 280 ～360 pc/ms-2。

2.2 測點布置

因連續(xù)橋梁的振動測點一般布置在振型曲線峰值較大處，本次試驗測點布置是根據(jù)前期的理論分析的振型特點，選擇在橋跨結(jié)構(gòu)的每跨支點、1/4、1/2、3/4跨的橋面頂板上布置測點，共布置17個測點。在進行試驗時，以膠泥作為耦合介質(zhì)將傳感器與結(jié)構(gòu)面耦合，可使傳感器更好地感應(yīng)到結(jié)構(gòu)的振動，并使得傳感器連續(xù)運行更穩(wěn)定、可靠，減少維護調(diào)試工作。

2.3 測試方法

試驗采用跳車激勵方法［6］，就是使一輛試驗車于跨中截面處，后輪緩緩越過高度為15 cm左右的楔形體墊木，瞬時沖擊橋面，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生帶有附加質(zhì)量(試驗車)的自由振動，跳車激勵點控制在每跨的跨中截面上。

為避免產(chǎn)生頻率疊混現(xiàn)象，由shannon定理可知，采樣頻率必須大于最大分析頻率的2倍［7］。因此，本次試驗的低通濾波器截止頻率設(shè)置為50 Hz，采樣頻率設(shè)置為100 Hz。在譜分析中，采用較高的分析點數(shù)對提高頻率和阻尼的分析精度都是有利的，所以，本次試驗每次FFT的分析點數(shù)取為1 024點，并采用加大數(shù)據(jù)長度(N=5 096，8 192)校核譜圖，證實1 024點的譜圖沒有漏掉重要的譜線，而保證譜分析結(jié)果的可靠性。進行1 024點譜分析數(shù)據(jù)時，依多次平均后求出譜分析結(jié)果。采用功率譜密度確定自振頻率及各點振幅值大小，分析時還必須結(jié)合考慮相干函數(shù)。阻尼比采用半功率帶寬法確定。

2.4 測試結(jié)果分析

振動測試采集振動數(shù)據(jù)多組。在試驗數(shù)據(jù)處理時，首先通過信號采集分析系統(tǒng)對原始信號曲線進行分解和歸并，然后提取測試的時域波形、頻譜圖和功率譜圖，見圖3所示(這里僅給出某一次測試的各跨跨中截面的測試結(jié)果)。采用互功率法經(jīng)DH-5935動態(tài)信號分析軟件分析得到潑河大橋橋跨結(jié)構(gòu)的前3階實測固有頻率、阻尼和振型參數(shù)，見表1所示。

圖3 各跨跨中截面的時域波形、頻譜和功率譜

表1 實測前3階振動參數(shù)

3 有限元法振動分析

3.1 計算模型

為了清楚了解波形鋼腹板組合梁橋的振動特性，除對測試數(shù)據(jù)進行頻譜分析之外，還進行了有限元分析。有限元建模時忽略了結(jié)構(gòu)阻尼的影響，用solid45實體單元模擬上下翼板、體外預(yù)應(yīng)力鋼束、橫隔板和錨墊板，用shell143殼單元模擬鋼腹板。其中體外預(yù)應(yīng)力鋼束和錨墊板粘合在一起，錨墊板和端橫隔板粘合在一起，預(yù)應(yīng)力通過錨墊板加到梁上，在橫隔板處，預(yù)應(yīng)力鋼束和橫隔板的聯(lián)結(jié)采用耦合。橋面鋪裝、防撞欄等以集中質(zhì)量的形式均布施加于所作用的結(jié)構(gòu)單元。

整個模型采用實體單元，在錨墊板、橫隔板、體外預(yù)應(yīng)力鋼束和鋼腹板處采用掃掠劃分以減少單元數(shù)量，上頂板和下底板因截面不規(guī)則，采用自由劃分，全橋共有96 650個實體單元，5 696個殼單元。

支座邊界條件:約束中墩支座的X，Y，Z軸向位移和繞Y，Z軸的角位移，邊墩和橋臺支座約束其X，Y軸向位移和繞Y，Z軸的角位移。

3.2 有限元計算結(jié)果

采用上面的有限元模型對結(jié)構(gòu)進行動力特性分析，計算得到潑河大橋成橋階段前20階固有頻率見表2。計算振動振型比較復(fù)雜，其中前10階就包括豎向彎曲、扭轉(zhuǎn)、橫向彎曲扭轉(zhuǎn)等類型，見圖4所示。

表2 潑河大橋前20階計算頻率

圖4 前10階振型

3.3 實測與計算結(jié)果對比

實測頻率和計算頻率對比如表3所示。分析表3可得以下結(jié)論:①潑河大橋前3階自振頻率實測值與計算值相接近，最大差值僅為3.79%，說明計算模型與實際結(jié)構(gòu)受力一致，驗證了有限元模型的合理性。②潑河大橋前3階振型實測和計算結(jié)果吻合良好。③在采樣頻率為100 Hz的條件下，得到了較理想的頻率范圍，即3～10 Hz。④實測和計算的前3階頻率值處于規(guī)范規(guī)定的混凝土梁橋的前幾階振動固有頻率1.5～6.0 Hz以內(nèi)，說明潑河大橋具備較高的彎曲剛度。

表3 前3階實測與計算頻率對比

4 結(jié)論

1)采用跳車激勵法可成功地進行波形鋼腹板組合梁橋的振動試驗;通過試驗數(shù)據(jù)處理，獲得實測橋梁的多階振型及自振頻率等特性，為理論研究提供數(shù)據(jù)支持;

2)聯(lián)合利用solid45實體單元和shell143殼單元建立有限元動力模型進行振動模擬分析，得到的振動特性計算結(jié)果與實橋自振頻率的測試值較接近，誤差＜4%，相應(yīng)振型出現(xiàn)順序和形狀吻合良好。

3)實測和計算的前3階振型主要表現(xiàn)為豎向彎曲振動，實測1階固有頻率為3.81 Hz，計算1階固有頻率為3.65 Hz，皆處于規(guī)范規(guī)定的混凝土橋梁固有頻率范圍內(nèi)，表明該類橋梁結(jié)構(gòu)具有比較高的彎曲剛度。

4)我國規(guī)范對波形鋼腹板的自振特性尚無明確規(guī)定，該研究結(jié)果對于波形鋼腹板組合梁橋的動力分析具有一定的參考價值。

［1］吳文清.波形鋼腹板組合箱梁剪力滯效應(yīng)問題研究［D］.南京:東南大學(xué)，2002.

［2］胡娟.波紋鋼腹板PC組合箱梁抗彎性能的理論分析［J］.鐵道建筑，2009(8):8-11.

［3］劉海燕.日本修建的波形鋼腹板 PC箱梁橋一覽表［J］.國外橋梁，2002(1):17-18.

［4］李淑琴，陳建兵，萬水，等.我國幾座波形鋼腹板 PC組合箱梁橋的設(shè)計與建造［J］.工程力學(xué)，2009，增(1):115-118.

［5］胡洋.裝配式波形鋼腹板 PC連續(xù)箱梁公路橋的有限元分析與試驗研究［D］.南京:東南大學(xué)，2006.

［6］程永春，譚國金，劉寒冰，等.簡支梁橋動態(tài)測試中跳車激勵方法理論研究［J］.振動工程學(xué)報，2009，22(5):474-479.

［7］黃曉峰.脈沖錘擊法中采樣頻率設(shè)置探討［J］.常德師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2003，15(2):43-45.