波形鋼腹板組合梁橋振動(dòng)特性測(cè)試與分析

陳建兵，胡 洋，萬(wàn) 水

(1.蘇州科技學(xué)院 土木工程系，江蘇 蘇州 215011;2.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司 江蘇分公司，南京 210012;3.東南大學(xué) 交通學(xué)院，南京 210096)

采用波形鋼腹板代替混凝土腹板對(duì)減輕混凝土箱梁橋自重起很大作用［1］，法國(guó)、挪威、韓國(guó)、日本等國(guó)這種結(jié)構(gòu)已被廣泛應(yīng)用［2-3］，在國(guó)內(nèi)實(shí)際應(yīng)用的波形鋼腹板梁的優(yōu)點(diǎn)也已初見(jiàn)端倪［4］。

迄今，國(guó)內(nèi)對(duì)波形鋼腹板混凝土組合箱梁的研究還局限于靜力學(xué)特性方面，對(duì)其動(dòng)力學(xué)特性研究則很少，特別是波形鋼腹板組合梁橋振動(dòng)特性的研究更少見(jiàn)報(bào)道。本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上［5］，結(jié)合我國(guó)首座波形鋼腹板組合箱梁公路橋——潑河大橋的現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)試驗(yàn)，采用有限元法對(duì)該橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)特性分析，其研究結(jié)果將為波形鋼腹板組合箱梁橋的振動(dòng)性能研究及抗震設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 工程概況

潑河大橋是我國(guó)建成的首座波形鋼腹板組合梁橋(圖1)，位于河南光山縣213省道上，橋長(zhǎng)120 m，跨徑組合4×30 m，橋?qū)?3.0 m+2×1.5 m，設(shè)計(jì)荷載為公路—Ⅰ級(jí)，橫向結(jié)構(gòu)為四梁式如圖2所示。腹板傾角為20°，主梁頂、底板混凝土厚為15 cm，橋面鋪裝層為15 cm厚的現(xiàn)澆混凝土和3 cm厚的瀝青混凝土。施工方法為先簡(jiǎn)支后連續(xù)，于2005年7月建成。

2 實(shí)橋自振特性測(cè)試

2.1 測(cè)試儀器

圖1 潑河大橋概貌

圖2 潑河大橋橫向組成

信號(hào)采集和分析系統(tǒng)采用東華測(cè)試技術(shù)公司生產(chǎn)的DH-5935動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)，傳感器為配套的DH107電壓式加速度傳感器，通頻帶為0.2～500.0 Hz，電荷靈敏度為 280 ～360 pc/ms-2。

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

因連續(xù)橋梁的振動(dòng)測(cè)點(diǎn)一般布置在振型曲線峰值較大處，本次試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置是根據(jù)前期的理論分析的振型特點(diǎn)，選擇在橋跨結(jié)構(gòu)的每跨支點(diǎn)、1/4、1/2、3/4跨的橋面頂板上布置測(cè)點(diǎn)，共布置17個(gè)測(cè)點(diǎn)。在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，以膠泥作為耦合介質(zhì)將傳感器與結(jié)構(gòu)面耦合，可使傳感器更好地感應(yīng)到結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，并使得傳感器連續(xù)運(yùn)行更穩(wěn)定、可靠，減少維護(hù)調(diào)試工作。

2.3 測(cè)試方法

試驗(yàn)采用跳車(chē)激勵(lì)方法［6］，就是使一輛試驗(yàn)車(chē)于跨中截面處，后輪緩緩越過(guò)高度為15 cm左右的楔形體墊木，瞬時(shí)沖擊橋面，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生帶有附加質(zhì)量(試驗(yàn)車(chē))的自由振動(dòng)，跳車(chē)激勵(lì)點(diǎn)控制在每跨的跨中截面上。

為避免產(chǎn)生頻率疊混現(xiàn)象，由shannon定理可知，采樣頻率必須大于最大分析頻率的2倍［7］。因此，本次試驗(yàn)的低通濾波器截止頻率設(shè)置為50 Hz，采樣頻率設(shè)置為100 Hz。在譜分析中，采用較高的分析點(diǎn)數(shù)對(duì)提高頻率和阻尼的分析精度都是有利的，所以，本次試驗(yàn)每次FFT的分析點(diǎn)數(shù)取為1 024點(diǎn)，并采用加大數(shù)據(jù)長(zhǎng)度(N=5 096，8 192)校核譜圖，證實(shí)1 024點(diǎn)的譜圖沒(méi)有漏掉重要的譜線，而保證譜分析結(jié)果的可靠性。進(jìn)行1 024點(diǎn)譜分析數(shù)據(jù)時(shí)，依多次平均后求出譜分析結(jié)果。采用功率譜密度確定自振頻率及各點(diǎn)振幅值大小，分析時(shí)還必須結(jié)合考慮相干函數(shù)。阻尼比采用半功率帶寬法確定。

2.4 測(cè)試結(jié)果分析

振動(dòng)測(cè)試采集振動(dòng)數(shù)據(jù)多組。在試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時(shí)，首先通過(guò)信號(hào)采集分析系統(tǒng)對(duì)原始信號(hào)曲線進(jìn)行分解和歸并，然后提取測(cè)試的時(shí)域波形、頻譜圖和功率譜圖，見(jiàn)圖3所示(這里僅給出某一次測(cè)試的各跨跨中截面的測(cè)試結(jié)果)。采用互功率法經(jīng)DH-5935動(dòng)態(tài)信號(hào)分析軟件分析得到潑河大橋橋跨結(jié)構(gòu)的前3階實(shí)測(cè)固有頻率、阻尼和振型參數(shù)，見(jiàn)表1所示。

圖3 各跨跨中截面的時(shí)域波形、頻譜和功率譜

表1 實(shí)測(cè)前3階振動(dòng)參數(shù)

3 有限元法振動(dòng)分析

3.1 計(jì)算模型

為了清楚了解波形鋼腹板組合梁橋的振動(dòng)特性，除對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析之外，還進(jìn)行了有限元分析。有限元建模時(shí)忽略了結(jié)構(gòu)阻尼的影響，用solid45實(shí)體單元模擬上下翼板、體外預(yù)應(yīng)力鋼束、橫隔板和錨墊板，用shell143殼單元模擬鋼腹板。其中體外預(yù)應(yīng)力鋼束和錨墊板粘合在一起，錨墊板和端橫隔板粘合在一起，預(yù)應(yīng)力通過(guò)錨墊板加到梁上，在橫隔板處，預(yù)應(yīng)力鋼束和橫隔板的聯(lián)結(jié)采用耦合。橋面鋪裝、防撞欄等以集中質(zhì)量的形式均布施加于所作用的結(jié)構(gòu)單元。

整個(gè)模型采用實(shí)體單元，在錨墊板、橫隔板、體外預(yù)應(yīng)力鋼束和鋼腹板處采用掃掠劃分以減少單元數(shù)量，上頂板和下底板因截面不規(guī)則，采用自由劃分，全橋共有96 650個(gè)實(shí)體單元，5 696個(gè)殼單元。

支座邊界條件:約束中墩支座的X，Y，Z軸向位移和繞Y，Z軸的角位移，邊墩和橋臺(tái)支座約束其X，Y軸向位移和繞Y，Z軸的角位移。

3.2 有限元計(jì)算結(jié)果

采用上面的有限元模型對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力特性分析，計(jì)算得到潑河大橋成橋階段前20階固有頻率見(jiàn)表2。計(jì)算振動(dòng)振型比較復(fù)雜，其中前10階就包括豎向彎曲、扭轉(zhuǎn)、橫向彎曲扭轉(zhuǎn)等類(lèi)型，見(jiàn)圖4所示。

表2 潑河大橋前20階計(jì)算頻率

圖4 前10階振型

3.3 實(shí)測(cè)與計(jì)算結(jié)果對(duì)比

實(shí)測(cè)頻率和計(jì)算頻率對(duì)比如表3所示。分析表3可得以下結(jié)論:①潑河大橋前3階自振頻率實(shí)測(cè)值與計(jì)算值相接近，最大差值僅為3.79%，說(shuō)明計(jì)算模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)受力一致，驗(yàn)證了有限元模型的合理性。②潑河大橋前3階振型實(shí)測(cè)和計(jì)算結(jié)果吻合良好。③在采樣頻率為100 Hz的條件下，得到了較理想的頻率范圍，即3～10 Hz。④實(shí)測(cè)和計(jì)算的前3階頻率值處于規(guī)范規(guī)定的混凝土梁橋的前幾階振動(dòng)固有頻率1.5～6.0 Hz以?xún)?nèi)，說(shuō)明潑河大橋具備較高的彎曲剛度。

表3 前3階實(shí)測(cè)與計(jì)算頻率對(duì)比

4 結(jié)論

1)采用跳車(chē)激勵(lì)法可成功地進(jìn)行波形鋼腹板組合梁橋的振動(dòng)試驗(yàn);通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，獲得實(shí)測(cè)橋梁的多階振型及自振頻率等特性，為理論研究提供數(shù)據(jù)支持;

2)聯(lián)合利用solid45實(shí)體單元和shell143殼單元建立有限元?jiǎng)恿δＰ瓦M(jìn)行振動(dòng)模擬分析，得到的振動(dòng)特性計(jì)算結(jié)果與實(shí)橋自振頻率的測(cè)試值較接近，誤差＜4%，相應(yīng)振型出現(xiàn)順序和形狀吻合良好。

3)實(shí)測(cè)和計(jì)算的前3階振型主要表現(xiàn)為豎向彎曲振動(dòng)，實(shí)測(cè)1階固有頻率為3.81 Hz，計(jì)算1階固有頻率為3.65 Hz，皆處于規(guī)范規(guī)定的混凝土橋梁固有頻率范圍內(nèi)，表明該類(lèi)橋梁結(jié)構(gòu)具有比較高的彎曲剛度。

4)我國(guó)規(guī)范對(duì)波形鋼腹板的自振特性尚無(wú)明確規(guī)定，該研究結(jié)果對(duì)于波形鋼腹板組合梁橋的動(dòng)力分析具有一定的參考價(jià)值。

［1］吳文清.波形鋼腹板組合箱梁剪力滯效應(yīng)問(wèn)題研究［D］.南京:東南大學(xué)，2002.

［2］胡娟.波紋鋼腹板PC組合箱梁抗彎性能的理論分析［J］.鐵道建筑，2009(8):8-11.

［3］劉海燕.日本修建的波形鋼腹板 PC箱梁橋一覽表［J］.國(guó)外橋梁，2002(1):17-18.

［4］李淑琴，陳建兵，萬(wàn)水，等.我國(guó)幾座波形鋼腹板 PC組合箱梁橋的設(shè)計(jì)與建造［J］.工程力學(xué)，2009，增(1):115-118.

［5］胡洋.裝配式波形鋼腹板 PC連續(xù)箱梁公路橋的有限元分析與試驗(yàn)研究［D］.南京:東南大學(xué)，2006.

［6］程永春，譚國(guó)金，劉寒冰，等.簡(jiǎn)支梁橋動(dòng)態(tài)測(cè)試中跳車(chē)激勵(lì)方法理論研究［J］.振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，2009，22(5):474-479.

［7］黃曉峰.脈沖錘擊法中采樣頻率設(shè)置探討［J］.常德師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2003，15(2):43-45.