彎型鋼箱梁動(dòng)載實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

(五邑大學(xué) 廣東 江門(mén) 529020)

彎型鋼箱梁動(dòng)載實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

付前龍

(五邑大學(xué)廣東江門(mén)529020)

振動(dòng)對(duì)于橋梁工程來(lái)說(shuō)是一種常見(jiàn)現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)廣佛江快速通道某段輔道工程段進(jìn)行了動(dòng)力測(cè)試[1]，得出其振動(dòng)模態(tài)參數(shù)[2]。然后，在實(shí)驗(yàn)所得的結(jié)果數(shù)據(jù)中，選取最具有分析價(jià)值的模態(tài)，畫(huà)出振型圖并分析在結(jié)構(gòu)振動(dòng)中占主導(dǎo)作用的模態(tài)，試驗(yàn)結(jié)果可以識(shí)別彎橋鋼箱梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率密集分布于低頻范圍內(nèi)，以保證結(jié)構(gòu)的可靠性。

連續(xù)鋼箱梁；振動(dòng)；動(dòng)載實(shí)驗(yàn)；模態(tài)分析

一、引言

隨著社會(huì)的日益發(fā)展，人們對(duì)交通出行的便捷越來(lái)越高，在車(chē)輛密集度高的城市中心區(qū)域和道路交通復(fù)雜連接處，常常會(huì)設(shè)置高架橋作為銜接，以實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的分流，提高通勤效率。而且，大型結(jié)構(gòu)橋梁的破壞大多都是由于振動(dòng)引起的。每年國(guó)內(nèi)外結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)由于振動(dòng)而發(fā)生的嚴(yán)重事故的例子也是屢見(jiàn)不鮮的。

二、工程概況

廣佛江快速通道某段輔道工程(西環(huán)路隧道—五邑路)段輔道位于主線(xiàn)第二標(biāo)段的兩側(cè)，路線(xiàn)走向與廣佛江快速通道江門(mén)段(第二標(biāo)段)主線(xiàn)相同。輔道全長(zhǎng)約19.3km(左、右側(cè)輔道合計(jì))。本段施工圖范圍為龍灣路—五邑路段(主線(xiàn)樁號(hào)范圍：K27+100—K28+710)段，左、右兩側(cè)輔道合計(jì)全長(zhǎng)約3.22km(另含1個(gè)五邑路直連式部分互通立交的匝道和被交路工程)。

該論文主要論述鋼箱梁主橋45m+70m+45m部分。本文主要通過(guò)試驗(yàn)分析高架橋的振動(dòng)模態(tài)來(lái)評(píng)價(jià)彎型鋼箱梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性—模態(tài)振型。來(lái)判斷結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性是否符合要求。

三、模態(tài)分析原理

模態(tài)分析是了解結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性并以此分析結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的基礎(chǔ)。其基本思想是將結(jié)構(gòu)振動(dòng)微分方程組中的物理坐標(biāo)變換為模態(tài)坐標(biāo)，解耦方程組，將其變換為一組以模態(tài)坐標(biāo)為模態(tài)參數(shù)描述的獨(dú)立方程，以此得出系統(tǒng)的動(dòng)力參數(shù)。

為了保證已建橋梁正常使用時(shí)的安全性和可靠性，對(duì)既有橋梁結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)越來(lái)越引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視。在車(chē)輛動(dòng)荷載和個(gè)別情況下風(fēng)力和地震地面運(yùn)動(dòng)作用下。橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)增大按靜力計(jì)算內(nèi)力，可能引起結(jié)構(gòu)局部疲勞損傷或形成影響橋面行人的舒適與安全的振動(dòng)變形和加速度，甚至使橋梁完全破壞。

四、振動(dòng)模態(tài)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)步驟

一般地，橋梁模態(tài)分析過(guò)程大致可分為測(cè)試系統(tǒng)建立、響應(yīng)數(shù)據(jù)采集、模態(tài)參數(shù)估計(jì)和模態(tài)模型驗(yàn)證這四個(gè)步驟。

測(cè)試系統(tǒng)建立是模態(tài)分析前期準(zhǔn)備過(guò)程，主要包括橋梁結(jié)構(gòu)的理論模型建立及分析計(jì)算，模態(tài)試驗(yàn)方案的確定(包括試驗(yàn)激振方式的確定、傳感器以及數(shù)據(jù)采集分析儀器的選擇等)，測(cè)試系統(tǒng)的安裝、調(diào)試及校準(zhǔn)。

(一)試驗(yàn)儀器選取

試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)我們所使用的振動(dòng)模態(tài)測(cè)試設(shè)備主要是由拾振器、采集器、信號(hào)放大器和電腦組成。本次工程采用的是環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)法。拾振儀采用國(guó)家地震局工程力學(xué)研究所研制生產(chǎn)891-Ⅱ速度型傳感器，放大裝置采用與之匹配的891-Ⅱ放大器，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用東方所INV數(shù)據(jù)采集分析儀。拾振器型號(hào)選擇、放大器參數(shù)設(shè)定和數(shù)據(jù)處理軟件的設(shè)置是試驗(yàn)儀器組裝的重要環(huán)節(jié)，會(huì)直接關(guān)系到測(cè)試數(shù)據(jù)成功與否。

(二)試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)采用的是載重30t的泥土車(chē)，分別以10km/h；20km/h；30km/h；40km/h來(lái)回駛過(guò)彎型鋼箱梁立交，以及跳車(chē)，剎車(chē)來(lái)激勵(lì)出模態(tài)振動(dòng)?？缰袖撓淞旱脑O(shè)計(jì)為主橋45m+70m+45m。測(cè)點(diǎn)的布置為高架橋彎型鋼箱梁邊跨45m的三等分點(diǎn)處和跨中75m的四等分點(diǎn)處。沿橋梁的橫向在各測(cè)試斷面上均布布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)。每個(gè)測(cè)試點(diǎn)均放置一個(gè)豎向振動(dòng)型壓電式傳感器，以測(cè)量橋梁的振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)。

五、振動(dòng)模態(tài)實(shí)例分析

(一)模態(tài)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)分析

利用試驗(yàn)設(shè)備測(cè)試到該45+70+45m彎型鋼箱梁主梁結(jié)構(gòu)的前三階振型值，見(jiàn)下表1。

表1 模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

(二)模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集完成之后，利用Midas/Civil模態(tài)分析軟件進(jìn)行模態(tài)參數(shù)的估計(jì)，辨別以及模態(tài)模型驗(yàn)證。經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，我們可以得到，該彎型鋼箱梁的一階振型是以?xún)蓚?cè)橋臺(tái)和主跨跨中為基點(diǎn)，主跨L/4和3L/4處為頂點(diǎn)的類(lèi)正弦曲線(xiàn)狀的變形；二階振型是以?xún)蓚?cè)橋墩為基點(diǎn)，主跨跨中處為頂點(diǎn)的類(lèi)懸鏈線(xiàn)曲線(xiàn)狀的變形；三階振型是以?xún)蓚?cè)橋墩和主跨跨中處為基點(diǎn)，兩側(cè)主拱圈與橋面相交處為頂點(diǎn)的兩條類(lèi)懸鏈線(xiàn)狀的變形。

根據(jù)各階振型圖

圖2 一階振型圖

圖3 二階振型圖

可以分析可得出，該橋主跨的L/4、跨中以及3L/4處的振動(dòng)變形相對(duì)較大，因此，在運(yùn)營(yíng)階段需要在相應(yīng)斷面處布置控制點(diǎn)。

六、小結(jié)

本文采用的是頻域分解法識(shí)別橋梁的模態(tài)參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)定。該方法只需測(cè)出橋梁在環(huán)境激勵(lì)下(包括地脈動(dòng)、風(fēng)荷載和車(chē)輛激勵(lì))的功率譜響應(yīng)函數(shù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行奇異值分解，可以識(shí)別出橋梁的模態(tài)參數(shù)。試驗(yàn)證明該方法能很有效的用于橋梁承載力和使用狀況評(píng)估。

[1]余天慶，王邦楣.工程材料與橋梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能測(cè)試[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1997.

[2]鄧炎，嚴(yán)普強(qiáng).橋梁結(jié)構(gòu)損傷的振動(dòng)模態(tài)檢測(cè)[J].振動(dòng)，測(cè)試與診斷，1999,19(3)：157—163.

[3]L Fryba.M Pirner.Load test and modal analysis of bridges[J].Engineering Structures.2001.23(1):102—109.

付前龍(1991.04-)，男，漢，湖北荊州人，在職研究生，五邑大學(xué)土木建筑學(xué)院，研究方向鋼結(jié)構(gòu)。