基于動力測試系桿拱橋動力特性分析

2015-04-24 07:34:40林朝清

福建交通科技 2015年4期

■林朝清

（1.福建省交通科學技術研究所；2.福建省公路水運工程重點試驗室，福州 350004）

1 引言

結構動力特性主要包括結構的自振頻率、阻尼系數和振型等一些基本參數，也稱為動力特性參數或振動模態參數，這些特性是結構本身所固有的性能，是由結構形式、材料性質、結構剛度、質量分布和構造聯結等因素決定的。在結構抗震設計中，為了確定地震作用的大小，必須了解各類結構的自振周期，同樣，對于現有建筑物的震后加固修復，也需了解結構的動力特性，建立結構的動力計算模型，才能進行地震反應分析。

結構動力特性測試是動力測試的重要組成部分，本文通過對某大橋的動力測試實測結果和空間有限元數值分析及理論計算結果的對比，分析系桿拱橋的動力特性。

2 模態分析基本原理

單自由度系統是最基本的振動系統，雖然實際結構均為多自由度系統，但對單自由度系統的分析能揭示振動系統的很多基本特性。從單自由度系統出發分析系統的頻響函數，將便于分析和理解其基本特性。多自由度線性系統常常可以看成為許多單自由度系統的線性疊加。

對單自由度粘性阻尼系統，假定其阻尼力與振動速度成正比，方向與速度相反，即：

式中，c 為粘性阻尼系數；x 為振動速度。

單自由度系統的力學模型如圖1 所示。其運動微分方程式為：

式中，x 及f 均為時間t 的函數。

圖1 單自由度系統的力學模型圖

對于自由振動（f=0），上式可寫為

對于多自由度系統，結構的動態特性可由N 階微分方程矩陣描述：

3 工程實例

3.1 工程概況

該橋橋型結構型式為下承式三跨連續拱梁組合體系，橋跨布置為26.5+77+26.5=130m。其中主跨為鋼管混凝土提籃拱，橫向設置四片拱肋。中拱肋直立，矢跨比1/4，矢高19.25m，拱肋軸線拋物線方程：y=x-(1/77)x2；邊拱肋內傾20°，矢跨比1/4，邊拱肋豎直面（正投影面）內矢高19.25m，拱肋軸線拋物線方程：；邊拱肋垂直面內矢高20.485m，矢跨比1/3.7588，拱肋軸線拋物線方程：y=1.064178x-0.0132049x2。中拱肋間為敞口式，不設風撐，中拱肋與邊拱肋間設三道風撐，以增加橋梁的整體穩定性。橋梁的總體布置如圖2 所示。

圖2 總體布置圖

3.2 動力測試

對該橋進行天然脈動試驗，測試橋梁結構的動力特性參數如自振頻率、固有振型；測試橋梁結構在移動車輛荷載作用下的響應如動應變、沖擊系數等；對測試數據整理分析并綜合有限元計算結果進行分析對比，了解結構的動力特性，結合靜載試驗的結果綜合評價該橋的整體剛度和工作性能，以及承受動荷載的能力。

3.3 測點布置

測點數量及測點位置的布置原則是確保測得該橋前幾階的自振頻率及振型（包括拱肋、橋面豎向、扭轉振型）。本次試驗根據測試方向的不同，布置測點數各異。

對于豎向模態試驗，主橋測點位于每根吊桿處，引橋測點位于支座和引橋跨中，每側設置21 個測點，其中RV 為豎向參考點。全橋豎向測點共計41 個，上游測點編號為1～20，下游測點編號為1’～20’，參考點RV 位于上游主跨3/8 處，如圖3 所示。試驗分兩次進行，第一次為上游側，測點為RV 和1～20；第二次為下游側，測點為RV 和1’～20’。

對于橫橋向試驗，主橋測點位于 1/8，1/4，3/8，1/2，5/8，3/4，7/8 處，引橋測點位于支座和引橋跨中，每側設置14 個測點，其中RH 為橫橋向參考點。全橋橫橋向測點共計27 個，上游編號為1～13，下游測點編號為1’～13’，參考點RH 位于上游主跨3/8 處，如圖4。試驗分兩次進行，第一次為上游側，測點為RH 和1～13；第二次為下游側，測點為RH 和1’～13’。

另外為了配合測試主拱肋的振型，在拱肋上也布置了加速度測點，主拱肋測點位于 1/8，1/4，3/8，1/2，5/8，3/4，7/8 處，每側設置7 個測點，其中RH 為橫橋向參考點。全橋橫橋向測點共計15 個，上游編號為1～7，下游測點編號為1’～7’，參考點RH 位于上游主跨3/8 處，如圖5。試驗分兩次進行，第一次為上游側，測點為RH 和1～7；第二次為下游側，測點為RH 和1’～7’。