大跨連續箱梁橋自振特性及動力響應分析

張 巍 （安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230031）

0 前言

通過對動力荷載所引起的橋梁結構響應的測試與分析，主要解決兩個問題：一是橋梁結構的自身動力性能即固有特性，包括自振頻率、振型和阻尼比3個參數，可用于結構動力特性評價及橋梁抗風、抗震評估；二是汽車荷載作用下結構的動態響應規律即動態輸出，主要模擬實際運營中車輛正常行駛、停駛以及跨越橋面坑洼處時分別引起結構響應如動撓度、動應變等參數的比值，從而確定結構的動力放大系數（沖擊系數）。

1 工程概況

該橋跨徑布置為（30+50+30）m，橫斷面布置為：0.5m（防撞護欄）+0.5m（路緣帶）+11.0m（機動車道）+0.5m（路緣帶）+0.5m（防撞護欄）=13.0m，上部結構采用變截面現澆連續箱梁，下部結構采用門式墩，樁接蓋梁橋臺，樁基礎。主梁采用C50混凝土，橋墩采用C40混凝土，承臺采用C30混凝土，樁基礎采用C30水下混凝土。橋面鋪裝：8cm防水混凝土+XYPEX防水層+6cm AC-20C瀝青混凝土+4cm AC-13c（SBS改性）瀝青混凝土，支座采用盆式支座，伸縮縫采用80型梳形板伸縮縫。設計汽車荷載為公路-Ⅰ級。橋梁立面布置如圖1，標準橫斷面布置如圖2所示。

圖1 立面布置示意（單位：cm）

圖2 橫斷面布置示意（單位：cm）

2 有限元模型及測試參數

2.1 有限元模型

以設計資料為依據運用有限元軟件M idas/civil建立該橋仿真模型進行成橋狀態下自振特性分析。模型中采用梁單元模擬連續大箱梁，采用“三節點法”模擬支座，模型共121個節點，104個單元，豎向自振頻率計算時將自重和恒載轉換成質量。橋跨結構仿真計算模型如圖3所示。

圖3 仿真計算模型

2.2 測試參數

2.2.1 自振特性參數

①自振頻率：自振頻率與結構剛度有著明確的關系且容易精確測量，用其評價橋跨結構的剛度具有一定的可靠性。

②振型：一定程度上通過實測振型的對比分析可以反映出橋跨結構的缺損狀況，即橋梁在出現缺損時振型將會出現變異、與基準振型不吻合。

③阻尼比：阻尼比是表示結構物耗散振動能量的能力，需要通過實測得到，將實測數據與同一座橋的歷史數據或同類橋梁的歷史經驗數據進行對比，可粗略判斷橋跨結構的技術狀況是否出現劣化。

現場采用精度和效果較好的環境隨機激振法進行模態參數識別，具體測試截面及拾振器測點的布置如圖4、圖5所示。

圖4 自振特性測試截面示意（單位：cm）

圖5 拾振器測點橫向布置示意

2.2.2 動力響應參數

動力響應參數包括振動加速度、速度、動撓度、動應變和動力放大系數，在實際應用過程中一般通過測試動撓度和動應變的時程曲線來計算動力放大系數。由于現場條件限制，動撓度測試難度較大，本次僅測試振動響應幅值最大部位（主跨跨中截面）的動應變來獲得各試驗工況下的動力放大系數。測試截面動應變測點的布置如圖6所示。

圖6 測試截面動應變測點布置示意

3 自振特性測試結果分析

按照規范的相關要求，連續梁橋一般需要測試其前3階自振特性，根據模型計算可得該橋跨結構的前3階自振特性均為豎平面內彎曲特性。另外現場采用滿足技術要求、集測試與分析一體化的系統對環境隨機振動信號進行采集分析。具體測試結果分析如圖7～圖11所示。

綜上可得：該橋實測前三階自振頻率均較理論計算值大，實測前三階阻尼比分別為2.28%、1.90%、5.24%，實測前三階振型與計算振型均基本吻合。

圖7 實測環境隨機振動時域信號

圖8 實測功率譜

圖9 一階振型

圖10 二階振型

圖11 三階振型

4 動力響應測試結果分析

為了模擬橋梁實際運營狀況，動力響應試驗設置了無障礙行車、有障礙行車和制動試驗3種工況。其中無障礙行車試驗采用與車道數相同的3輛載重汽車橫向并排行駛通過測試截面，行駛速度以10km/h為間隔從20km/h逐級遞增至設計時速60km/h；有障礙行車試驗采用1輛載重汽車以20km/h車速通過測試截面上的障礙物；制動試驗采用2輛載重汽車以30km/h車速在測試截面上制動。具體測試結果分析如圖12～圖13所示。

圖12 實測動應變曲線

自振特性測試結果對比 表1

動力放大系數計算結果 表2

圖13 無障礙行車試驗動力放大系數與車速關系曲線

綜上所得：該橋實測動力放大系數會因試驗工況的不同而不同，且在無障礙行車試驗下，動力放大系數基本與行車速度成正比例關系；同時在有障礙行車試驗和制動試驗下測得的動力放大系數偏大，表明橋面平整度和車輛緊急制動對橋跨的沖擊效應影響較大。

5 結語

①該橋實測自振特性基本滿足設計要求。實測動力放大系數會因試驗工況的不同而不同，且在無障礙行車試驗下，動力放大系數基本與行車速度成正比例關系；同時在有障礙行車試驗和制動試驗下測得的動力放大系數偏大，表明橋面平整度和車輛緊急制動對橋跨的沖擊效應影響較大，因此在運營過程中應避免超速行駛并加強橋面系的日常養護。

②由于動力響應測試時取用的試驗荷載與規范規定的汽車荷載標準值存在一定的差異，因此實際評價中應注意動力放大系數與沖擊系數的區別，不能簡單的相比較。

③成橋自振特性和動力響應實測數據可作為基礎資料，為日后運營過程中橋梁的技術狀況評定提供依據。