大跨度鋼管混凝土桁架拱橋動力響應分析

胡媛媛　雷民

摘要：評價鋼管混凝土桁架拱橋在動力試驗荷載作用下的動力響應，為此類橋型的設計施工和運營養護提供參考。以貴州省三施高速公路江凱河特大橋為工程背景，分析動載試驗下橋梁的動力響應和振動模態參數。

關鍵詞：鋼管混凝土桁架拱橋;動力響應;振動模態參數

中圖分類號：U441;U448.22文獻標識碼：A文章編號：1672-9129（2020）06-0095-01

Abstract：Toevaluatethedynamicresponseofconcrete-filledsteeltubetrussarchbridgeunderdynamictestload，andtoprovidereferenceforthedesign，constructionandoperationmaintenanceofthistypeofbridge.TakingTheJiangkaiheBridgeofSanshiExpresswayinGuizhouprovinceastheengineeringbackground，thedynamicresponseandvibrationmodalparametersofthebridgeunderdynamicloadtestareanalyzed.

Keywords：concretefilledsteeltubetrussarchbridge;Dynamicresponse;Vibrationmodalparameters

近年來我國橋梁事業蓬勃發展，由于鋼管混凝土桁架拱橋結構形式獨特，自重較輕，施工過程中穩定性好，承載能力高，因此鋼管混凝土桁架拱橋橋梁結構廣泛應用[1-2]。靜力性能研究較為全面，但動力性能結合實際分析方面論文較為鮮少[3-5]。因此為鋼管混凝土桁架拱橋動力性能提供個案為相關工作研究著提供參考也較為重要。

本文以三施高速公路江凱河特大橋為例，進行橋梁動載試驗，采集結構自振頻率、沖擊系數、阻尼比和動應變及動力系數，分析結構動力響應，評價鋼管混凝土桁架拱橋動力特性。

1工程概況

橋梁為雙向四車道高速公路，公路-I級，設計車速80km/h。橋梁結構為鋼管混凝土桁架拱橋主橋跨徑220m，橋梁總寬28.5m，拱軸線系數為1.6，凈矢高55m。橋面系采用半漂浮體系，立柱和主橫梁設置板式橡膠支座。

本文采用MidasCivil建立有限元模型，主橋結構模型如圖1所示，吊桿采用桁架單元，主拱圈及主梁桁架結構采用梁單元，試驗荷載采用集中荷載的方式施加，通過移動活載影響線分析后，提取橋梁關鍵截面所受最不利內力時所對應的荷載布置情況。

2檢測內容及試驗方法

2.1檢測內容。為評價江凱河特大橋主橋的動力性能，進行動載試驗。通過結構特性選定跨中截面，主要通過脈動試驗、行車試驗測橋梁結構在自然狀態下和受迫振動作用下結構的動力響應，測定橋梁的動力特性（自振頻率、阻尼比、振型）及沖擊效應（動應變放大系數）。

根據本橋特點及檢測現場情況，模態測試豎向振型測點分別設置在1/8L、2/8L、3/8L、4/8L、5/8L、6/8L、7/8L截面以及主拱圈的1/2L、1/4L截面，其中選取主梁3/8L截面為參考點;動載應變測試截面布置在L/2（4-4截面），拾振器位置設置在內側護欄內側部位。

2.2試驗方法。采集橋跨結構自由振動狀態下代表性部位振動加速度、特征截面動應變時域信號，通過頻譜分析等方法得到橋跨結構自振特性參數。自振特性測定試驗采用的激勵方式：

（1）模態試驗：利用環境隨機激勵，在橋面進行長時間模態信號采集。

（2）行車余振激勵：4輛加載車（單輛重約35t）以不同的速度通過橋梁，采集車輛出橋后橋跨結構的自由振動信號，拾振器布置在相應截面橋面中心線處。

（3）剎車試驗：采用2輛載重汽車在無障礙行車狀況下，以中央分隔帶為中心線兩邊對稱跑車至試驗截面剎車，測定橋跨結構在制動力荷載作用下的動力反應時程曲線。

3檢測結果

模態測試：采用有限元模型計算橋跨結構自振特性，采用脈動試驗分批次進行模態測試。前三階豎彎理論頻率為0.8、1.14、1.81Hz;實測頻率為0.91、1.3、1.81Hz，對比可知，前三階實測相位及頻率與理論計算吻合較好。

自振頻率：采用脈動激勵橋梁振動，用高靈敏加速度計拾取結構自振信號，計算得到結構的自振頻率為0.8Hz，在理論可識別的范圍，試驗主橋實測豎向一階頻率為0.90Hz。實測自振頻率大于計算自振頻率，表明橋梁結構剛度滿足規范要求。

沖擊系數：4-4截面跑車試驗應變增大系數最大值為1.03～1.07，試驗沖擊系數為0.03～0.07，剎車試驗應變增大系數最大值為1.05～1.09，試驗沖擊系數為0.05～0.09，計算沖擊系數為0.07。其中剎車試驗實測沖擊系數大于理論值。原因可能是由于：（1）車輛參數的偏差引起，例如軸重;（2）橋面豎向不平整影響行車激勵振動沖擊過大。

阻尼比：橋梁結構阻尼參數采用波形分析法計算，本文取兩個波峰、波谷值為計算點，殘余計算波個數為8個。計算得到4-4截面阻尼比為0.74%。

行車振動頻譜分析：4-4截面行車振動響應分析2階頻率均大于理論2階頻率，且各截面行車振動響應分析頻率與脈動分析頻率相近。

4結論

實測本橋豎向一階基頻為0.90Hz，大于相應的理論計算豎向一階基頻0.80Hz;行車振動響應分析頻率均大于對應階數理論頻率。實測沖擊系數在0.02～0.12之間。前三階實測相位及頻率與理論計算吻合較好，實測阻尼比正常。跑車的各項動力系數均在正常范圍內，橋梁整體動力特性良好，行車性能滿足規范要求。

參考文獻：

[1]黃志忠.中承式鋼管混凝土組合拱橋力學性能試驗研究[J].湖南城市學院學報（自然科學版），2015，24（03）：5-8

[2]伍尚干.復合鋼管混凝土組合桁架梁橋探討[C].中國公路學會2002年學術交流論文集.：中國公路學會，2002：224-231

[3]滕樂.大跨度鋼管混凝土桁架拱橋靜動力計算和拱腳外包段詳細應力計算與優化[D].西南交通大學，2017.

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[5]張慶森.鋼管拱的動力特性分析[C].北京力學會.北京力學會第26屆學術年會論文集.北京力學會：北京力學會，2020：697-707