裝配式小箱梁連續(xù)梁橋模態(tài)試驗與有限元分析

【摘要】預制裝配式小箱梁連續(xù)梁橋在跨徑20～40米的公路橋梁和城市高架橋中越來越多地被采用。本文以20米裝配式小箱梁連續(xù)梁橋為例，基于三維有限元程序MIDAS建立了計算模型，并對其進行模態(tài)分析，得出了相關模態(tài)參數(shù)，在此基礎上進行模態(tài)試驗，結(jié)論可為該類型橋梁的動力特性分析和模態(tài)試驗提供參考。

【關鍵詞】裝配式小箱梁；有限元；模態(tài)試驗；隨機振動

1.引言

橋梁結(jié)構模態(tài)參數(shù)包括頻率、振型和阻尼比，它對評價橋梁現(xiàn)有承載能力有著重要意義。近些年來，不中斷交通的橋梁承載力快速評定方法等的研究也是以結(jié)構的模態(tài)測試和分析為基礎的。同時，模態(tài)測試結(jié)果和結(jié)構有限元計算結(jié)果的吻合程度能夠反映計算模型簡化和建立的準確性和合理性，能夠為結(jié)構的設計和計算提供重要的參考。目前橋梁結(jié)構的模態(tài)分析理論比較成熟，一般借助于大型有限元程序即可得到比較準確的結(jié)果，對于橋梁結(jié)構，通常所遇到的問題是模型的簡化方法、材料特性的選擇、邊界條件的處理等。對于裝配式梁、板橋，通常采用梁單元建立有限元模型，但是梁、板間的單元截面的選擇、連接方式等邊界條件的處理和材料屬性的選擇等對計算結(jié)果均有較大影響，利用實體單元建立有限元模型，可以有效的解決。

2.工程背景

本文以國道304線寶日嘎斯臺2號大橋為工程背景，寶日嘎斯臺2號大橋位于國道304線白音華到霍林郭勒段，橋梁上部結(jié)構為兩聯(lián)4×20.0米裝配式預應力混凝土連續(xù)箱梁，單幅橋?qū)?2米，其中汽車荷載按兩車道設計。上部結(jié)構有4片小箱梁裝配而成，下部為柱式墩，柱式橋臺，鉆孔灌注樁基礎，橋梁設計荷載為公路-I級。

3.有限元分析

（1）模態(tài)理論是運用固有振型矩陣的正交性，對振動系統(tǒng)運動微分方程的各系數(shù)矩陣解耦，使各系數(shù)矩陣對角化，從而使多自由度的復雜結(jié)構成為多個單自由度系統(tǒng)的疊加。所以，要得到大橋的自振特性，首先要建立橋梁的空間力學計算模型，然后計算出結(jié)構各階的振型和頻率等主要模態(tài)參數(shù)來進行分析。

（2）在本文中，采用大型有限元計算軟件MIDAS建立了寶日嘎斯臺2號大橋的三維實體有限元計算模型，計算模型中考慮了中梁和邊梁截面的不同。由于結(jié)構的振動特性主要由結(jié)構的質(zhì)量和剛度決定，故必須精確地模擬構件的剛度和質(zhì)量。考慮橋面混凝土鋪裝計入結(jié)構受力，為能夠更好的模擬梁間的橫向聯(lián)系，采用三維實體單元建立有限元模型。除小箱梁的質(zhì)量外，橋面瀝青鋪裝、護欄對橋梁的模態(tài)參數(shù)均有一定的影響，因此，把橋面鋪裝和護欄以均布質(zhì)量的形式添加到有限元模型中，目的是保證自振特性計算的正確性。