變截面連續箱梁動力試驗分析

郭東升

（遼寧省交通規劃設計院有限責任公司，遼寧 沈陽110166）

1 工程概況

1.1 橋梁簡介。某預應力混凝土連續梁橋主橋為52m+80m+52m變截面連續箱梁，位于R=1000m的圓曲線上，橋面凈寬10.75m。上部結構采用單箱單室箱梁，支點處梁高為500cm，跨中梁高為230cm，下部結構為薄壁式墩柱。該橋主跨斷面圖如圖1 所示。

1.2 主要技術指標。（1）設計荷載：汽車- 超20 級，掛車-120。（2）地震烈度：本橋區內地震基本烈度小于6 度。（3）設計基準期：100 年。（4）豎曲線最小半徑：凸豎曲線半徑4500m；凹豎曲線半徑3000m。（5）設計洪水頻率：1/300。（6）橋下凈高：5.2m。

圖1 試驗橋主跨斷面圖（單位：cm）

2 結構建模計算

根據動載試驗下測點實測最大動應變和相應的靜載作用下該測點的最大應變，計算實測的活載動力增大系數和實測活載沖擊系數。通過midas 軟件提取出橋梁沖擊系數，將實測活載沖擊系數的最大值與設計采用的沖擊系數比較對結構動力性能進行分析。

通過midas 軟件提取出橋梁前3 階振型及頻率理論值，通過現場測試，得到橋梁前3 階頻率、阻尼比實測值，通過與頻率理論值進行對比，以判斷結構性能。空間有限元模型如圖2 所示。

圖2 有限元模型

3 動載試驗研究

3.1 動載試驗原理。橋梁在移動車輛荷載作用下產生振動、沖擊等動力反應，此時橋梁各部位除產生靜態應力和靜態變形外。還產生動態應力和動態變形，移動車輛荷載作用下應力或變形的動態增長率稱為動態增量。動態試驗的目的是測量橋梁在移動車輛荷載作用下的靜力、動力和總效應，為進一步計算出靜力總效應與相應靜力效應的比值，即動態放大系數。本次動載試驗測量應力的動態增量。應力的動態放大系數（1+μ）即：（1+μ）=最大動態應力/最大靜態應力。

3.2 測試斷面及測點布置。選取4 個動應力測試截面，分別為第38 孔最大正彎矩A 截面，38 號墩頂附近最大負彎矩B 截面，38號墩附近最大剪力C1 截面和C2 截面。測點布置如圖3 所示。

3.3 測試內容。測試加載車輛以20～60km/h 勻速駛過橋面時，A、B、C1 和C2 截面的動應力及應力動態增量。

圖3 動應變測試截面及測點布置圖

無障礙行車試驗：在橋面無任何障礙的情況下，使一輛加載車（總重約為35t）以20～60km/h 的速度勻速駛過橋梁，測定橋梁結構在移動車輛荷載作用下的動力反應。

表1 動載試驗測試內容

3.4 測試與分析方法。（1）試驗前，對系統進行調試。（2）各工況下，用東華DH3820 動態應變測試系統采集加載車通過橋跨結構時各動應變測點的應力時程曲線。（3）根據動載試驗下測點實測最大動應變和相應的靜載作用下該測點的最大應變，計算實測的活載動力增大系數和實測活載沖擊系數。（4）根據不同車速的活載沖擊系數或動力增大系數，并求出活載沖擊系數的最大值。（5）根據實測活載沖擊系數的最大值與設計采用的沖擊系數比較對結構動力性能進行分析。

3.5 動載試驗結果分析。僅以A斷面的A-2 號得點為例，對跑車試驗結果進行分析，如圖4 所示。

圖4 測點動應變時程曲線

表2 實測應變峰值及應變動態放大系數表

由表2 數據分析結果表明：（1）車輛在橋面以正常速度行駛時引起的箱梁動態應力增量變化較小，箱梁底板縱向動態應力放大系數剔除異常值后的平均值為1.07，小于理論值1.1。（2）應力動態放大系數與行車速度無明顯關系。

4 動力特性試驗

4.1 測點布置。在橋梁各跨的跨中、四分點及墩頂位置布設DH動態信號采集儀，將采集儀連接電腦，并使采集儀GPS貼至橋梁防撞欄桿處，與此同時，在中跨中支點附近布設參照點，參照點采集儀在整個試驗過程中位置不動，整個動力特性試驗共布置13 個測點。

4.2 測試與分析方法。（1）試驗前，對測試系統、拾振傳感器等進行調試。（2）應用環境隨機振動法進行橋梁結構振動試驗。通過拾振傳感器、放大器、信號采集系統和計算機拾取并記錄橋梁結構的隨機振動響應。（3）聯合基于傅里葉變換的峰值法、隨機子空間法（SSI）以及隨機減量法進行振動特性參數分析。隨機減量法可以更準確的識別結構的阻尼比。

4.3 動力特性試驗結果與分析。橋梁理論計算前3 階振型如圖5 所示。

圖5 理論計算前三階振型圖

圖6 實測前3 階振型圖

橋梁實測前3 階振型如圖6 所示。通過現場測試，得到橋梁前3 階頻率、阻尼比實測值，通過與頻率理論值進行對比，發現實測值與理論值相差較小，實測值略大于理論值。如表3 所示。

表3 橋梁頻率、阻尼比實測值

由表3 主橋現場實測參數與理論結果比較可以看出：

（1）實測主橋豎向各階頻率略大于理論值。（2）主橋實測前2 階振動頻率分別為1.465 和2.734。實測阻尼比介于2.10～3.50%之間。

5 結論

（1）車輛在橋面以正常速度行駛時引起的箱梁動態應力增量變化較小，箱梁底板縱向動態應力放大系數剔除異常值后的平均值為1.07，小于理論值1.1。（2）應力動態放大系數與行車速度無明顯關系。（3）主橋前2 階振動頻率分別為1.465 和2.734，前2 階振動頻率理論值分別為1.42 和2.69，實測阻尼比介于2.10～3.50%之間。（4）頻率實測值略大于理論值，說明結構實際剛度大于理論剛度。