大跨度鋼管混凝土桁架拱橋動力響應(yīng)分析

胡媛媛　雷民

摘要：評價鋼管混凝土桁架拱橋在動力試驗(yàn)荷載作用下的動力響應(yīng)，為此類橋型的設(shè)計(jì)施工和運(yùn)營養(yǎng)護(hù)提供參考。以貴州省三施高速公路江凱河特大橋?yàn)楣こ瘫尘?，分析動載試驗(yàn)下橋梁的動力響應(yīng)和振動模態(tài)參數(shù)。

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土桁架拱橋;動力響應(yīng);振動模態(tài)參數(shù)

中圖分類號：U441;U448.22文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-9129（2020）06-0095-01

Abstract：Toevaluatethedynamicresponseofconcrete-filledsteeltubetrussarchbridgeunderdynamictestload，andtoprovidereferenceforthedesign，constructionandoperationmaintenanceofthistypeofbridge.TakingTheJiangkaiheBridgeofSanshiExpresswayinGuizhouprovinceastheengineeringbackground，thedynamicresponseandvibrationmodalparametersofthebridgeunderdynamicloadtestareanalyzed.

Keywords：concretefilledsteeltubetrussarchbridge;Dynamicresponse;Vibrationmodalparameters

近年來我國橋梁事業(yè)蓬勃發(fā)展，由于鋼管混凝土桁架拱橋結(jié)構(gòu)形式獨(dú)特，自重較輕，施工過程中穩(wěn)定性好，承載能力高，因此鋼管混凝土桁架拱橋橋梁結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用[1-2]。靜力性能研究較為全面，但動力性能結(jié)合實(shí)際分析方面論文較為鮮少[3-5]。因此為鋼管混凝土桁架拱橋動力性能提供個案為相關(guān)工作研究著提供參考也較為重要。

本文以三施高速公路江凱河特大橋?yàn)槔?，進(jìn)行橋梁動載試驗(yàn)，采集結(jié)構(gòu)自振頻率、沖擊系數(shù)、阻尼比和動應(yīng)變及動力系數(shù)，分析結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)，評價鋼管混凝土桁架拱橋動力特性。

1工程概況

橋梁為雙向四車道高速公路，公路-I級，設(shè)計(jì)車速80km/h。橋梁結(jié)構(gòu)為鋼管混凝土桁架拱橋主橋跨徑220m，橋梁總寬28.5m，拱軸線系數(shù)為1.6，凈矢高55m。橋面系采用半漂浮體系，立柱和主橫梁設(shè)置板式橡膠支座。

本文采用MidasCivil建立有限元模型，主橋結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，吊桿采用桁架單元，主拱圈及主梁桁架結(jié)構(gòu)采用梁單元，試驗(yàn)荷載采用集中荷載的方式施加，通過移動活載影響線分析后，提取橋梁關(guān)鍵截面所受最不利內(nèi)力時所對應(yīng)的荷載布置情況。

2檢測內(nèi)容及試驗(yàn)方法

2.1檢測內(nèi)容。為評價江凱河特大橋主橋的動力性能，進(jìn)行動載試驗(yàn)。通過結(jié)構(gòu)特性選定跨中截面，主要通過脈動試驗(yàn)、行車試驗(yàn)測橋梁結(jié)構(gòu)在自然狀態(tài)下和受迫振動作用下結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，測定橋梁的動力特性（自振頻率、阻尼比、振型）及沖擊效應(yīng)（動應(yīng)變放大系數(shù)）。

根據(jù)本橋特點(diǎn)及檢測現(xiàn)場情況，模態(tài)測試豎向振型測點(diǎn)分別設(shè)置在1/8L、2/8L、3/8L、4/8L、5/8L、6/8L、7/8L截面以及主拱圈的1/2L、1/4L截面，其中選取主梁3/8L截面為參考點(diǎn);動載應(yīng)變測試截面布置在L/2（4-4截面），拾振器位置設(shè)置在內(nèi)側(cè)護(hù)欄內(nèi)側(cè)部位。

2.2試驗(yàn)方法。采集橋跨結(jié)構(gòu)自由振動狀態(tài)下代表性部位振動加速度、特征截面動應(yīng)變時域信號，通過頻譜分析等方法得到橋跨結(jié)構(gòu)自振特性參數(shù)。自振特性測定試驗(yàn)采用的激勵方式：

（1）模態(tài)試驗(yàn)：利用環(huán)境隨機(jī)激勵，在橋面進(jìn)行長時間模態(tài)信號采集。

（2）行車余振激勵：4輛加載車（單輛重約35t）以不同的速度通過橋梁，采集車輛出橋后橋跨結(jié)構(gòu)的自由振動信號，拾振器布置在相應(yīng)截面橋面中心線處。

（3）剎車試驗(yàn)：采用2輛載重汽車在無障礙行車狀況下，以中央分隔帶為中心線兩邊對稱跑車至試驗(yàn)截面剎車，測定橋跨結(jié)構(gòu)在制動力荷載作用下的動力反應(yīng)時程曲線。

3檢測結(jié)果

模態(tài)測試：采用有限元模型計(jì)算橋跨結(jié)構(gòu)自振特性，采用脈動試驗(yàn)分批次進(jìn)行模態(tài)測試。前三階豎彎理論頻率為0.8、1.14、1.81Hz;實(shí)測頻率為0.91、1.3、1.81Hz，對比可知，前三階實(shí)測相位及頻率與理論計(jì)算吻合較好。

自振頻率：采用脈動激勵橋梁振動，用高靈敏加速度計(jì)拾取結(jié)構(gòu)自振信號，計(jì)算得到結(jié)構(gòu)的自振頻率為0.8Hz，在理論可識別的范圍，試驗(yàn)主橋?qū)崪y豎向一階頻率為0.90Hz。實(shí)測自振頻率大于計(jì)算自振頻率，表明橋梁結(jié)構(gòu)剛度滿足規(guī)范要求。

沖擊系數(shù)：4-4截面跑車試驗(yàn)應(yīng)變增大系數(shù)最大值為1.03～1.07，試驗(yàn)沖擊系數(shù)為0.03～0.07，剎車試驗(yàn)應(yīng)變增大系數(shù)最大值為1.05～1.09，試驗(yàn)沖擊系數(shù)為0.05～0.09，計(jì)算沖擊系數(shù)為0.07。其中剎車試驗(yàn)實(shí)測沖擊系數(shù)大于理論值。原因可能是由于：（1）車輛參數(shù)的偏差引起，例如軸重;（2）橋面豎向不平整影響行車激勵振動沖擊過大。

阻尼比：橋梁結(jié)構(gòu)阻尼參數(shù)采用波形分析法計(jì)算，本文取兩個波峰、波谷值為計(jì)算點(diǎn)，殘余計(jì)算波個數(shù)為8個。計(jì)算得到4-4截面阻尼比為0.74%。

行車振動頻譜分析：4-4截面行車振動響應(yīng)分析2階頻率均大于理論2階頻率，且各截面行車振動響應(yīng)分析頻率與脈動分析頻率相近。

4結(jié)論

實(shí)測本橋豎向一階基頻為0.90Hz，大于相應(yīng)的理論計(jì)算豎向一階基頻0.80Hz;行車振動響應(yīng)分析頻率均大于對應(yīng)階數(shù)理論頻率。實(shí)測沖擊系數(shù)在0.02～0.12之間。前三階實(shí)測相位及頻率與理論計(jì)算吻合較好，實(shí)測阻尼比正常。跑車的各項(xiàng)動力系數(shù)均在正常范圍內(nèi)，橋梁整體動力特性良好，行車性能滿足規(guī)范要求。

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