大跨石拱橋主拱結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性測試與分析

吳 植 安

(太原理工大學(xué)，山西 太原 030024)

0 引言

大跨石拱橋結(jié)構(gòu)是我國橋梁結(jié)構(gòu)中的主要橋梁結(jié)構(gòu)形式之一，具有施工工藝簡單、傳力簡單、承載能力較好等優(yōu)點(diǎn)，是我國傳統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)形式。在對大跨石拱橋進(jìn)行檢測時(shí)，為避免對橋梁結(jié)構(gòu)的破壞，檢測時(shí)應(yīng)使用無損檢測法檢測橋梁的動(dòng)力性能，環(huán)境脈動(dòng)法作為一種無損檢測方法在橋梁動(dòng)力特性現(xiàn)場測試中得到越來越廣泛的應(yīng)用。環(huán)境脈動(dòng)法測試結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性具有簡便可行、無需專門激振，對結(jié)構(gòu)物無任何損傷等優(yōu)勢，該方法借助于高靈敏度的傳感器和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集設(shè)備，采用隨機(jī)信號(hào)數(shù)據(jù)處理技術(shù)對大量動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行分析識(shí)別，從而根據(jù)測試分析結(jié)果得到橋梁的動(dòng)力特性。環(huán)境脈動(dòng)檢測方法具有現(xiàn)場檢測簡單，無需使用實(shí)際動(dòng)荷載進(jìn)行測試，對橋梁結(jié)構(gòu)影響較小等優(yōu)點(diǎn)。本文主要根據(jù)山西省某大跨度石拱橋現(xiàn)場使用環(huán)境脈動(dòng)檢測方法進(jìn)行動(dòng)載檢測分析。

1 橋梁概況

山西某大跨石拱橋上部結(jié)構(gòu)為10 m+108 m+10 m的懸鏈?zhǔn)阶兘孛鏌o鉸拱(主拱)，主跨徑為108 m，下部結(jié)構(gòu)為重力式墩臺(tái)，大橋全長175 m，橋面寬度為7 m+2×0.75 m，矢高16.37 m、高18.5 m；主拱圈采用變截面懸鏈線無鉸拱，拱軸線系數(shù)為3.142，拱厚變換系數(shù)0.4，拱頂厚1.62 m。拱腳厚度2.346 m，原設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽車—超20級(jí)，掛車—100。

2 橋梁動(dòng)載試驗(yàn)

2.1 測試設(shè)備

現(xiàn)場進(jìn)行檢測時(shí)，采用INV3062T智能信號(hào)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)安裝DASPV10大容量信號(hào)采集分析軟件，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)信號(hào)的采集分析、顯示存儲(chǔ)等功能。

本次檢測所使用的檢測方法，可將測試得到的信號(hào)數(shù)據(jù)自采集、濾波、時(shí)域頻域轉(zhuǎn)換的全過程進(jìn)行分析，將各傳感器傳遞回的信息進(jìn)行判別分析，得到結(jié)構(gòu)的各階自振頻率，同時(shí)還可得到各脈動(dòng)信號(hào)所對應(yīng)的陣型。

測試系統(tǒng)流程見圖1。

2.2 現(xiàn)場結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性測試過程

結(jié)合現(xiàn)場情況，對橋梁主拱結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力特性試驗(yàn)測試。依據(jù)前期計(jì)算分析結(jié)果，在主拱(第二孔)結(jié)構(gòu)上的特定截面布置動(dòng)態(tài)信號(hào)測點(diǎn)。將加速度傳感器粘接固定在預(yù)定測點(diǎn)。在橋梁中軸線位置共計(jì)布置17個(gè)振動(dòng)測點(diǎn)，分別布設(shè)豎向垂直和水平向振動(dòng)傳感器。

2.3 拱橋動(dòng)力特性測試結(jié)果

現(xiàn)場獲得結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)信號(hào)后，利用DASPV10大容量信號(hào)采集分析軟件進(jìn)行分析，結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性參數(shù)，包括結(jié)構(gòu)自振頻率與阻尼。從豎向及水平向兩個(gè)方向考察，各獲得結(jié)構(gòu)前三階的動(dòng)力特性參數(shù)。圖2～圖7給出了橋梁振型圖。

由現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)可知，大橋的振動(dòng)頻率及振型符合一般石拱橋的振動(dòng)形態(tài)，說明該橋主拱結(jié)構(gòu)拱腳邊界條件基本一致，拱身質(zhì)量及剛度分布均勻?qū)ΨQ，結(jié)構(gòu)受荷均勻合理，結(jié)構(gòu)整體性能較好。

3 主拱結(jié)構(gòu)有限元理論分析

本文采用MIDAS/Civil建立結(jié)構(gòu)三維有限元模型，對該大跨石拱橋結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性進(jìn)行理論分析。圖8～圖13分別給出了相應(yīng)的各階振型圖。

將MIDAS有限元計(jì)算振型與拱橋結(jié)構(gòu)實(shí)測振型對比，發(fā)現(xiàn)各方向各階振型模態(tài)振型曲線吻合較好，基本一一對應(yīng)。表1給出了結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性參數(shù)的理論值與實(shí)測值的對比結(jié)果，其中fmi為結(jié)構(gòu)自振頻率實(shí)測結(jié)果，fdi為結(jié)構(gòu)自振頻率理論計(jì)算結(jié)果。

表1 對比結(jié)果表

振型階數(shù)頻率f/Hz周期T/s實(shí)測值fmiMIDAS計(jì)算值/fdi實(shí)測值fmiMIDAS計(jì)算值/fdifmi/fdi評(píng)定標(biāo)度工作性能豎向第1階3.5571.1230.2810.8903.171完好第2階6.6811.9470.1500.5143.431完好第3階10.2892.2460.0970.4454.581完好水平第1階2.3480.9450.4261.0582.481完好第2階4.5562.1290.2190.4702.141完好第3階6.4293.2830.1560.3051.961完好

根據(jù)表1的對比結(jié)果以及相應(yīng)振型曲線分析，大橋主拱的實(shí)測前三階自振頻率值均大于理論計(jì)算的自振頻率值，表明橋梁的實(shí)際剛度大于設(shè)計(jì)剛度，且實(shí)測振動(dòng)曲線與理論計(jì)算值基本相符，說明試驗(yàn)橋的整體剛度“完好”，試驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)狀態(tài)正常。

4 結(jié)語

1)大橋上部結(jié)構(gòu)實(shí)測振型與MIDAS有限元計(jì)算振型一一對應(yīng)，豎向及水平向各自對應(yīng)振型曲線吻合較好。

2)大橋主拱的實(shí)測前三階自振頻率值均大于理論計(jì)算的自振頻率值，實(shí)測值為理論值的1.96倍～4.58倍。

3)根據(jù)動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果，得到：拱身結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)性能良好，結(jié)構(gòu)邊界條件一致，拱身質(zhì)量及剛度分布均勻，振動(dòng)狀態(tài)正常，具有實(shí)體檢測推廣意義。