大跨石拱橋主拱結構動力特性測試與分析

吳 植 安

(太原理工大學，山西 太原 030024)

0 引言

大跨石拱橋結構是我國橋梁結構中的主要橋梁結構形式之一，具有施工工藝簡單、傳力簡單、承載能力較好等優點，是我國傳統的橋梁結構形式。在對大跨石拱橋進行檢測時，為避免對橋梁結構的破壞，檢測時應使用無損檢測法檢測橋梁的動力性能，環境脈動法作為一種無損檢測方法在橋梁動力特性現場測試中得到越來越廣泛的應用。環境脈動法測試結構動力特性具有簡便可行、無需專門激振，對結構物無任何損傷等優勢，該方法借助于高靈敏度的傳感器和動態數據采集設備，采用隨機信號數據處理技術對大量動態信息進行分析識別，從而根據測試分析結果得到橋梁的動力特性。環境脈動檢測方法具有現場檢測簡單，無需使用實際動荷載進行測試，對橋梁結構影響較小等優點。本文主要根據山西省某大跨度石拱橋現場使用環境脈動檢測方法進行動載檢測分析。

1 橋梁概況

山西某大跨石拱橋上部結構為10 m+108 m+10 m的懸鏈式變截面無鉸拱(主拱)，主跨徑為108 m，下部結構為重力式墩臺，大橋全長175 m，橋面寬度為7 m+2×0.75 m，矢高16.37 m、高18.5 m；主拱圈采用變截面懸鏈線無鉸拱，拱軸線系數為3.142，拱厚變換系數0.4，拱頂厚1.62 m。拱腳厚度2.346 m，原設計荷載等級為汽車—超20級，掛車—100。

2 橋梁動載試驗

2.1 測試設備

現場進行檢測時，采用INV3062T智能信號采集系統，該系統安裝DASPV10大容量信號采集分析軟件，可實現動態信號的采集分析、顯示存儲等功能。

本次檢測所使用的檢測方法，可將測試得到的信號數據自采集、濾波、時域頻域轉換的全過程進行分析，將各傳感器傳遞回的信息進行判別分析，得到結構的各階自振頻率，同時還可得到各脈動信號所對應的陣型。

測試系統流程見圖1。

2.2 現場結構動力特性測試過程

結合現場情況，對橋梁主拱結構進行動力特性試驗測試。依據前期計算分析結果，在主拱(第二孔)結構上的特定截面布置動態信號測點。將加速度傳感器粘接固定在預定測點。在橋梁中軸線位置共計布置17個振動測點，分別布設豎向垂直和水平向振動傳感器。

2.3 拱橋動力特性測試結果

現場獲得結構動態信號后，利用DASPV10大容量信號采集分析軟件進行分析，結構動力特性參數，包括結構自振頻率與阻尼。從豎向及水平向兩個方向考察，各獲得結構前三階的動力特性參數。圖2～圖7給出了橋梁振型圖。

由現場實測數據可知，大橋的振動頻率及振型符合一般石拱橋的振動形態，說明該橋主拱結構拱腳邊界條件基本一致，拱身質量及剛度分布均勻對稱，結構受荷均勻合理，結構整體性能較好。

3 主拱結構有限元理論分析

本文采用MIDAS/Civil建立結構三維有限元模型，對該大跨石拱橋結構動力特性進行理論分析。圖8～圖13分別給出了相應的各階振型圖。

將MIDAS有限元計算振型與拱橋結構實測振型對比，發現各方向各階振型模態振型曲線吻合較好，基本一一對應。表1給出了結構動力特性參數的理論值與實測值的對比結果，其中fmi為結構自振頻率實測結果，fdi為結構自振頻率理論計算結果。

表1 對比結果表

振型階數頻率f/Hz周期T/s實測值fmiMIDAS計算值/fdi實測值fmiMIDAS計算值/fdifmi/fdi評定標度工作性能豎向第1階3.5571.1230.2810.8903.171完好第2階6.6811.9470.1500.5143.431完好第3階10.2892.2460.0970.4454.581完好水平第1階2.3480.9450.4261.0582.481完好第2階4.5562.1290.2190.4702.141完好第3階6.4293.2830.1560.3051.961完好

根據表1的對比結果以及相應振型曲線分析，大橋主拱的實測前三階自振頻率值均大于理論計算的自振頻率值，表明橋梁的實際剛度大于設計剛度，且實測振動曲線與理論計算值基本相符，說明試驗橋的整體剛度“完好”，試驗橋梁結構振動狀態正常。

4 結語

1)大橋上部結構實測振型與MIDAS有限元計算振型一一對應，豎向及水平向各自對應振型曲線吻合較好。

2)大橋主拱的實測前三階自振頻率值均大于理論計算的自振頻率值，實測值為理論值的1.96倍～4.58倍。

3)根據動載試驗結果，得到：拱身結構工作狀態性能良好，結構邊界條件一致，拱身質量及剛度分布均勻，振動狀態正常，具有實體檢測推廣意義。