既有鋼管混凝土拱橋橋動力測試和有限元分析

王增新(蘭新第二雙線新疆公司,新疆 烏魯木齊 730070)

1 前言

隨著我國公路事業的迅速發展，我國的橋梁建設亦突飛猛進。在理論研究、設計施工技術及材料研究應用等方面都取得了快速的發展和提高，橋梁結構形式也在不斷地被賦予新的內容和活力。正由于鋼管混凝土、預應力技術和各種橋梁施工方法等在下承式系桿拱橋中的應用，同時由于其自身的結構特點，使該結構在國內各地得到越來越多的應用和研究[1]。

橋梁的自振特性和在豎向動荷載（車輛移動與沖擊）激勵下結構的響應是評價橋梁承載能力狀態的一個重要因素[2]。橋梁的振動問題影響因素復雜，僅靠理論分析還不能滿足工程應用的需要，需要理論分析與實際測試相結合的方法解決，橋梁動載試驗就成為解決該問題必不可少的手段。

結構的動力分析主要研究結構在動荷載（如行駛車輛、風、地震荷載）作用下的力學行為，其內容主要包括確定結構的自振特性以及動力激勵源作用下結構的響應。其中自振特性是動力分析的基礎，是評定橋梁承載能力狀態的重要參數[3]。橋梁結構的固有振動特性反映了橋梁結構的整體狀態，它與橋梁結構的材料、構造、連接狀況、約束條件、結構尺寸等因素密切相關；橋梁的強迫振動行為能綜合反映其自身的動力特性、車輛及其運動特性、橋面鋪裝的平整狀況等因素。通過檢測橋梁的自由振動特性及在豎向動荷載（車輛移動與沖擊）作用下的強迫振動反應來評價橋梁的動力性態。

2 橋梁動力測定、評價方法

1）動載試驗的激振方法是動載試驗必須使橋梁結構產生有效的振動，常用的有自由振動法和共振法[4]。

(1)自振法：自振法又稱瞬態激振法，它是使橋梁產生有阻尼的自由衰減振動，記錄到的振動圖形是橋梁的衰減振動曲線。采取行車激振法(15～60kg/h)、沖擊激振法或剎(跳)車激振法，使橋梁結構產生自由振動，以測取有衰減的自由振動曲線。

(2)共振法：又稱強迫振動法，它是利用激振器對結構施加激振力，使結構產生強迫振動。改變激振力的頻率而使結構產生共振現象，并借助共振現象來確定結構的動力特性。在橋梁的動載試驗中，常采用載重車隊以又低到高的不同速度駛過橋梁，使結構產生不同程度的強迫振動。在若干次運行車輛荷載試驗中，當某一行駛速度產生的激振力的頻率與結構的固有頻率相接近時，結構便產生共振現象，此時結構的各部位的振動響應達最大。在車輛駛離橋跨以后，結構作自由衰減振動，這時可由記錄的波形曲線分析得出結構的動力特性。

2）動力測定評價方法對于某一橋梁結構來講，它的幾何尺寸、材料和邊界條件是確定的，那么它的結構靜力特性就唯一確定了。隨著橋梁的使用，其結構工作性能會發生變化，反映出來的現象是裂縫的出現和擴展、剛度降低、變形增大。同樣，結構各參數一經確定，其結構動力特性也唯一地確定了，隨著橋梁結構工作性能的變化，它的結構動力性能的變化表現出頻率和動剛度的下降、阻尼增加、振幅加大等；因此，只要掌握了橋梁結構的動力特性及其與靜力特性之間的相關關系，就可以以動力特性推斷出橋梁結構的靜力特性，從而獲得橋梁結構全部力學特性資料，評價橋梁結構的工作狀態。

3 工程實例

西寧市海湖路大橋為中承式鋼管混凝土拱橋,凈跨為80m，矢高20.25m.主拱圈分三段采用16MNq 鋼板,內填C40 混凝土，焊接成型后拼裝成整體拱，由三道鋼橫撐連接兩側鋼拱，采用拋物線拱軸線方程，吊桿采用73φ7 高強度鍍鋅鋼絲，縱系梁和橫梁為預應力施工，采用C40 混凝土澆注。引橋采用預應力空心板梁。橋臺基礎為鉆孔灌注樁基礎。橋梁寬度為全寬32.2 米，設計荷載為雙向4 車道，汽-20 掛—100，人群荷載3.5 kPa。

橋梁的自振特性和在豎向動荷載（車輛移動與沖擊）激振下的動力響應是評價橋梁承載能力狀態的一個重要因素。結構的動力分析主要研究結構在動荷載（如行駛車輛、風、地震荷載）作用下的力學行為，其內容主要包括確定結構的自振特性以及動力激勵源作用下結構的響應。其中自振特性是動力分析的基礎。結構固有振動特性反映了結構的整體狀態，它與結構的材料、構造、連接狀況、約束條件、結構尺寸等因素密切相關；橋梁的強迫振動行為能綜合反映其自身的動力特性、車輛及其運動特性、橋面鋪裝的平整狀況等因素。

1）動力測試截面布置原則

從結構的構造特點、外觀檢查和分析結果、結構試驗的安全性等方面考慮，按如下原則確定動力測點位置：① 最大豎向動位移發生處；② 最大動應力發生點；③ 典型振動反應發生點；④ 便于現場試驗的實施。海湖橋動力測試截面如圖1所示。

圖1 海湖橋動力測試截面示意圖

2）結構動力測試測點布置

① 動態應變測點布置：在D-D 截面處1#、2#拱肋、F-F 截面1#、2#主梁分別布設1個動應變測點，共計4個動應變測點。

② 動位移測點布置：在D-D 截面處1#、2#拱肋、F-F 截面1#、2#主梁分別布設1個動位移測點，共計4個動位移測點。

③ 振動測點布置：在橋跨跨中截面橋面上布設3個振動器（即：D-D 截面橋面上布置1個豎向、1個順向、1個橫向振動器）、D-D 截面處1#、2#拱肋上分別布置1個橫向和縱向振動器,；C-C 截面布置1個豎向、1個順向、1個橫向振動器；總計10個振動器。

3）試驗檢測相應的傳感器位置為：

（1）脈動測試測點布置：

① 脈動試驗檢測豎向傳感器測點布置位置為：橋梁D-D 截面；C-C 截面;

② 脈動試驗檢測橫橋向水平傳感器測點位置為：橋梁D-D 截面；C-C 截面;

③ 脈動試驗檢測順橋向水平傳感器測點位置為：橋梁D-D 截面；C-C 截面；

（2）跑車、跳車、剎車測點布置：

① 跑車、跳車、剎車試驗檢測橋梁豎向傳感器測點布置位置為：橋跨D-D 截面、橋跨C-C截面；

② 跑車、跳車、剎車試驗檢測橋梁橫向傳感器測點布置位置為：橋跨D-D 截面、橋跨C-C截面；

③ 跑車、跳車、剎車試驗檢測橋梁順橋向水平傳感器測點位置為：橋跨D-D 截面、C-C 截面；

4）動態信號現場測試儀器及其組合形態。（如圖2 所示）

圖2 動態信號采集示意圖

5）測試結果分析

（1）結構動力反應測試

為檢測橋梁結構的動力反應性能，并使試驗能安全進行，調用載重汽車（總重372kN）進行動載試驗，分別進行了單車30km/h、40km/h、50km/h的勻速跑車試驗、10km/h 跳車試驗和30km/h 制動試驗，記錄了橋梁各特定測試截面的振動反應。

為檢測橋梁結構的動力特性，實際檢測采用10km/h 跳車的余振波形和脈動波形對橋梁結構的動力特性進行分析。

（2）結構動力特性

結構動力特性測試通過兩種方式記錄了結構各特定測點的動態反應信號：

①利用動態激勵加載產生對結構的激振，測試結構的余振波形信號；

②采用脈動法(環境隨機激振法)，在現場測試和記錄各測點對大地脈動(激勵源)的響應信號。通過對橋梁結構各特定測點余振波形及脈動波形的數據分析確定結構的動力特性（頻率、阻尼等）；

6）有限元建模與分析

采用ANSYS 進行有限元計算。考慮到鋼管混凝土拱軸的特性，即鋼管混凝土拱軸是由鋼管和混凝土2 種特性不同的材料構成，因此，在建立結構空間有限元模型時采用Beam188 雙單元來模擬鋼管混凝土拱肋；吊桿采用只受拉不受壓的Link10 單元；橋面板只考慮重量，不考慮其剛度；用等效外力模擬預應力鋼筋的作用；橫梁與系桿連接處采用剛接；邊界條件為4個支撐點鉸支；共產生545個單元,514個節點。鋼管混凝土拱橋有限元計算模型見圖3。結構前4 階自振特性理論計算結果如4～圖7 和表1 所示所示。

圖3 鋼管混凝土拱橋有限元計算模型

圖4 第一階振型

圖5 第二階振型

圖6 第三階振型

圖7 第四階振型

表1 海湖路橋理論計算自振特性

7）結構動力特性測試結果

在拱橋跨中截面處的橋面和主拱肋上分別放置橫向、橫向和縱向傳感器，測試了橋跨結構在不同車輛行進條件下的結構振動反應，通過對所記錄的振動時程反應曲線的整理分析，得到結構自由振動的基本性態。動力特性測試結果如表2所示。

表2 海湖路橋動力測試結果及評價

8）結構動力反應測試結果

通過對特定測試截面動應變、動位移及強迫振動時程曲線的分析，得到載重汽車作用下結構的動力反應如表3 所示。

表3 海湖路橋動力反應測試結果

4 結論

1）通過對以上數據的分析比較，得到海湖路橋結構理論計算基頻小于實測基頻值，特別是豎向實測頻率高于理論計算值，說明橋梁結構的實際剛度目前仍然滿足要求，偏于安全。同時也說明結構梁板目前工作性能正常[5][6]。

2）根據結構的動力系數的實測值，說明橋面的平整程度正常，橋梁結構的行車性能目前還處在正常范圍。

3）橋梁結構的阻尼比能夠反映出橋梁結構耗散外部能量輸入的能力。通過對本次實測的阻尼比的分析，說明橋梁結構耗散外部能量輸入的能力仍然正常，也表明橋梁結構未發生影響使用的結構性開裂，橋梁支座部位工作狀態正常。

總之，理論計算和動力試驗結果相結合是橋梁動力性能分析的可靠方法。理論模態分析通過建立有限元模型可以提供橋梁結構詳細的物理與模態特征。實橋動力測試可以獲得橋梁真實的動力特性,理論計算與動力試驗相結合可以從多方面綜合考慮、分析理論上或試驗中遇到的問題,兩者相互校核能更全面、更客觀地反映橋梁結構的動力性能。

[1]宋一凡.公路橋梁荷載試驗與結構評定[M].北京:人民交通出版社,2001

[2]劉自明.橋梁工程檢測手冊[M].北京:人民交通出版社,2001

[3]李廣馥.橋梁動力測定評價方法[J].2000(4):2

[4]《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2004).[M]

[5]《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG D62-2004).[M]

[6]施尚偉,舒紹云,趙劍.鋼管混凝土拱橋動力試驗與動力性能分析[J].公路交通技術,2008,8(4):31-35.