基礎約束簡化對某斜拉橋自振頻率評定的影響分析

吳育後 袁紹林 吳維彬 陳冰

摘要：文章基于某斜拉橋計算模型中基礎約束簡化方式的不同，對比分析不同情況下自振頻率的理論偏差以及因此對評定結果產生的影響。通過理論分析與實測值對比可知：模型約束過度簡化可能導致大的理論值偏差，進而導致評定結果與實際不符。

關鍵詞：基礎約束簡化;斜拉橋;自振頻率;模態;評定

0 引言

無論是梁橋、拱橋、斜拉橋、懸索橋或異型結構橋梁，在對具體結構進行有限元分析前，都需要將結構簡化。

在遵循結構簡化原則的前提下，模型的約束條件將對分析結果產生重要影響。根據工程實際，作者據此對比某斜拉橋在不同約束條件下，橋梁模態分析結果與實測結果，探討基礎約束簡化對該斜拉橋自振頻率評定的影響。

1 橋梁概況

某橋梁主橋為一座2×120m單塔雙索面斜拉橋，采用塔梁墩固結體系。主橋橋面布置為：2.25m（人行道）+2m（拉索區）+18m（行車道）+2m（拉索區）+2.25m（人行道）。索塔為門式塔，塔高60.3m。每根塔柱底寬6.0m，頂寬4.0m，塔柱上部為厚度2.0m的實心矩形，塔柱上的拉索錨固段為“H”型斷面。橋梁斜拉索為雙索面扇形索，每一側共26對拉索，梁上索距4.0m。主梁斷面為寬2.0m、高2.0m的矩形，主梁底緣設有寬0.6m、高0.5m的梯形槽，梁高在根部增加至2.5m。橋梁基礎采用10根樁徑D=2.0m的鉆孔灌注樁，樁端嵌入基巖3.0m。墩身采用雙柱式橋墩，墩身高24.3m，墩柱中心間距為20.0m。如圖1所示。

2 工況分析

工況1：有限元建模時主塔模型建立至承臺頂面，承臺以下部分基礎約束簡化為剛性約束。

工況2：有限元建模時主塔模型建立至承臺底面，樁基部分簡化為剛性約束。

工況3：有限元建模時主塔模型建立至樁基底面，樁身的樁-土相互作用的土彈簧剛度采用“M法”根據地質特性確定，嵌巖樁基底簡化為剛性約束。

3 有限元分析

分析采用MidasCivil2019三維有限元軟件進行，主梁、主塔采用梁單元，拉索采用桁架單元，橋面鋪裝及人行道、護欄等二期恒載采用均布荷載施加于主梁上，重力加速度取g=9.806m/s2。有限元模型如圖2所示。

4 模態試驗

4.1 模態試驗測點布置

橋梁模態振動傳感器縱向布置按圖3的方式（橋跨1/4L點、1/2L點和3/4L點）進行，橫橋向布置于上游拉索區。

傳感器技術參數：

（1）頻率響應范圍：0.13～39.0Hz;

（2）靈敏度范圍：0.3192～0.3344mV/（mm/s）;

（3）頻率示值測量不確定度：Urel=0.02%，k=2。

4.2 實測頻譜及速度時程曲線

在封閉交通的情況下，經過30min的數據采集，分析得到橋梁的實測平均頻譜及速度時程曲線，如圖4所示。

5 理論分析與實測結果對比

將橋梁模態試驗實測結果與在不同工況下橋梁模態的有限元分析結果對比分析匯總于下頁表1。

由理論分析結果和實測結果對比分析，可得出如下幾點結論：

（1）實測豎向1～4階自振頻率為0.586～1.660Hz;全結構模型豎向1～4階自振頻率理論值為0.362～1.247Hz。

（2）工況1理論值偏差率為20.05%～65.84%，工況2為8.98%～48.56%。

（3）工況1實測值/理論值范圍為1.08～1.24，工況2為1.20～1.36，工況3為1.33～1.79。

（4）根據規程JTG/TJ21-2011，在工況1情況下，該橋自振頻率評定標度為2類，工況2～3的評定標度為1類。

（5）該斜拉橋豎向1～4階自振頻率較低，模型約束簡化將對理論計算產生較大影響，進而影響橋梁自振頻率的評定。特別是在工況1的情況下，該橋自振頻率評定標度為2類，與實際情況不符。

6 結語

本文以某斜拉橋自振頻率評定為例，分析了基礎約束簡化對橋梁自振頻率評定的影響：

對自振頻率較低的斜拉橋，應建立全結構模型分析其自振頻率理論值;對主塔基礎約束過度簡化可能導致大的理論值偏差，進而導致評定結果與實際不符。

通過本文分析可知，類似情況的斜拉橋、懸索橋、連續剛構橋等，在分析自振頻率時應充分考慮約束簡化對理論分析的影響，避免評定失真。

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