基礎約束簡化對某斜拉橋自振頻率評定的影響分析

吳育後 袁紹林 吳維彬 陳冰

摘要：文章基于某斜拉橋計算模型中基礎約束簡化方式的不同，對比分析不同情況下自振頻率的理論偏差以及因此對評定結(jié)果產(chǎn)生的影響。通過理論分析與實測值對比可知：模型約束過度簡化可能導致大的理論值偏差，進而導致評定結(jié)果與實際不符。

關鍵詞：基礎約束簡化;斜拉橋;自振頻率;模態(tài);評定

0 引言

無論是梁橋、拱橋、斜拉橋、懸索橋或異型結(jié)構(gòu)橋梁，在對具體結(jié)構(gòu)進行有限元分析前，都需要將結(jié)構(gòu)簡化。

在遵循結(jié)構(gòu)簡化原則的前提下，模型的約束條件將對分析結(jié)果產(chǎn)生重要影響。根據(jù)工程實際，作者據(jù)此對比某斜拉橋在不同約束條件下，橋梁模態(tài)分析結(jié)果與實測結(jié)果，探討基礎約束簡化對該斜拉橋自振頻率評定的影響。

1 橋梁概況

某橋梁主橋為一座2×120m單塔雙索面斜拉橋，采用塔梁墩固結(jié)體系。主橋橋面布置為：2.25m（人行道）+2m（拉索區(qū)）+18m（行車道）+2m（拉索區(qū)）+2.25m（人行道）。索塔為門式塔，塔高60.3m。每根塔柱底寬6.0m，頂寬4.0m，塔柱上部為厚度2.0m的實心矩形，塔柱上的拉索錨固段為“H”型斷面。橋梁斜拉索為雙索面扇形索，每一側(cè)共26對拉索，梁上索距4.0m。主梁斷面為寬2.0m、高2.0m的矩形，主梁底緣設有寬0.6m、高0.5m的梯形槽，梁高在根部增加至2.5m。橋梁基礎采用10根樁徑D=2.0m的鉆孔灌注樁，樁端嵌入基巖3.0m。墩身采用雙柱式橋墩，墩身高24.3m，墩柱中心間距為20.0m。如圖1所示。

2 工況分析

工況1：有限元建模時主塔模型建立至承臺頂面，承臺以下部分基礎約束簡化為剛性約束。

工況2：有限元建模時主塔模型建立至承臺底面，樁基部分簡化為剛性約束。

工況3：有限元建模時主塔模型建立至樁基底面，樁身的樁-土相互作用的土彈簧剛度采用“M法”根據(jù)地質(zhì)特性確定，嵌巖樁基底簡化為剛性約束。

3 有限元分析

分析采用MidasCivil2019三維有限元軟件進行，主梁、主塔采用梁單元，拉索采用桁架單元，橋面鋪裝及人行道、護欄等二期恒載采用均布荷載施加于主梁上，重力加速度取g=9.806m/s2。有限元模型如圖2所示。

4 模態(tài)試驗

4.1 模態(tài)試驗測點布置

橋梁模態(tài)振動傳感器縱向布置按圖3的方式（橋跨1/4L點、1/2L點和3/4L點）進行，橫橋向布置于上游拉索區(qū)。

傳感器技術參數(shù)：

（1）頻率響應范圍：0.13～39.0Hz;

（2）靈敏度范圍：0.3192～0.3344mV/（mm/s）;

（3）頻率示值測量不確定度：Urel=0.02%，k=2。

4.2 實測頻譜及速度時程曲線

在封閉交通的情況下，經(jīng)過30min的數(shù)據(jù)采集，分析得到橋梁的實測平均頻譜及速度時程曲線，如圖4所示。

5 理論分析與實測結(jié)果對比

將橋梁模態(tài)試驗實測結(jié)果與在不同工況下橋梁模態(tài)的有限元分析結(jié)果對比分析匯總于下頁表1。

由理論分析結(jié)果和實測結(jié)果對比分析，可得出如下幾點結(jié)論：

（1）實測豎向1～4階自振頻率為0.586～1.660Hz;全結(jié)構(gòu)模型豎向1～4階自振頻率理論值為0.362～1.247Hz。

（2）工況1理論值偏差率為20.05%～65.84%，工況2為8.98%～48.56%。

（3）工況1實測值/理論值范圍為1.08～1.24，工況2為1.20～1.36，工況3為1.33～1.79。

（4）根據(jù)規(guī)程JTG/TJ21-2011，在工況1情況下，該橋自振頻率評定標度為2類，工況2～3的評定標度為1類。

（5）該斜拉橋豎向1～4階自振頻率較低，模型約束簡化將對理論計算產(chǎn)生較大影響，進而影響橋梁自振頻率的評定。特別是在工況1的情況下，該橋自振頻率評定標度為2類，與實際情況不符。

6 結(jié)語

本文以某斜拉橋自振頻率評定為例，分析了基礎約束簡化對橋梁自振頻率評定的影響：

對自振頻率較低的斜拉橋，應建立全結(jié)構(gòu)模型分析其自振頻率理論值;對主塔基礎約束過度簡化可能導致大的理論值偏差，進而導致評定結(jié)果與實際不符。

通過本文分析可知，類似情況的斜拉橋、懸索橋、連續(xù)剛構(gòu)橋等，在分析自振頻率時應充分考慮約束簡化對理論分析的影響，避免評定失真。

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