在役钢筋混凝土双曲拱桥动力测试和有限元分析

赵海

【摘 要】通过动力测试和有限元理论分析对役钢筋混凝土双曲拱桥受力性能进行评估，是评价桥梁在动荷载作用下承载能力的一种重要的评价手段。通过动荷载试验以及结构固有模态参数的实桥测试，了解桥跨结构的动力特性，以及各控制部位在使用荷载下的动力性能，为该桥进一步运营的养护管理提供必要的数据和资料。

【关键词】动力测试；有限元分析；双曲拱桥；动力特性

0 前言

桥梁结构的动力特性，如固有频率、阻尼系数和振型等，只与结构本身的固有性质有关，是结构振动系统的基本特征。桥梁动载试验就是要从大量的实测数据信号中，了解结构自身的动力特性以及结构抵抗受迫振动和突发荷载作用的能力，综合评价桥梁结构的动力特性 及动力响应。揭示桥梁结构振动的内在规律，以判断结构的实际工作状态，同时也为使用阶段结构评估积累原始数据。

1 工程概况

少寨大桥始建于上世纪八十年代，桥梁形式为双曲拱桥，主跨60m，桥面宽8m，现场调查后得知该桥于上世纪九十年代末进行了维修加固。由于缺少设计图纸及资料，桥梁细部尺寸、材料特性通过现场实测的方式获得。该桥全桥长78.0m，主跨为1×60m钢筋混凝土双曲拱桥，矢高为7.5m，桥梁结构矢跨比为1：8。拱肋由5片钢筋混凝土拱肋组成，并通过横向系梁连接，其中拱肋为“凸”字形，高约100cm，宽35cm；横向系梁高50cm，宽35cm；立墙厚100cm，宽250cm。

桥面宽8.0m，横向布置为0.25m（护栏）+7.5m（车行道）+0.25m（护栏），桥面铺装为拱顶填料+沥青混凝土面层，其最小厚度为0.9m。

设计荷载：由于缺少必要的设计资料，通过现场走访得知该桥修建于上世纪80年代，根据当时我国桥梁设计规范《公路桥涵设计通用规范》（JTJ 021-85）推算该桥设计荷载为：汽车-20级；验算荷载：挂-100级。

2 动力荷载试验的内容

1）脉动法测定桥梁结构的自振特性，包括结构的自振频率、振型、阻尼比。

脉动试验是利用桥梁在各种随机环境激励（包括地脉动、风等）下引起的振动响应，采集响应信号，通过频谱分析得到桥梁结构的固有振动特性，比如固有频率、振型、阻尼比，为桥梁的動力响应分析提供参数。

2）测定各种车速跑车时桥跨结构的冲击系数。

跑车试验是让车辆以一定的车速从桥面驶过，引起桥梁的振动，通过采集桥梁结构的动挠度，分析桥跨结构的动力放大系数，从而得到冲击系数。

3 有限元建模与分析

依据现场对少寨大桥各构件尺寸的实际量测，采用梁格理论对该桥建立有限元模型，其中拱肋和横向系梁立墙采用空间杆单元模拟，桥面板及拱波采用空间厚板单元模拟，其有限元模型如图2所示。

通过有限元计算出少寨大桥各阶振型及频率见图3～图5。

4 现场动力测试及结果

1）试验设备与测点布置

结构振动测试使用江苏东华测试技术股份有限公司生产的5920动态采集分析系统，其中在跨中、L/4截面处分别布置2个拾振器。

2）频谱分析

图6为脉动测试信号，通过对其进行傅里叶分析后得到结构的振动频率。结构竖向一阶频率为4.06Hz，其频谱分析图见图7，结果见表1。

结构振动测试使用江苏东华测试技术股份有限公司生产的5920动态采集分析系统，其中在跨中、L/4截面处分别布置2个拾振器。图8～图11为不同车速工况下跑车时程曲线。

3）汽车动载冲击系数测定

结构动挠度采集采用北京光电技术研究所生产光电形变监测系统，桥梁动挠度测试的测点布置在跨中截面。

动力荷载作用于结构上产生的动挠度，一般较同样的静荷载所产生的相应静挠度要大，动挠度与静挠度的比值称为活荷载的冲击系数。由于挠度反映了桥跨结构的整体变形，是衡量结构刚度的主要指标，因此活载冲击系数综合反映了荷载对桥梁的动力作用。它与结构的型式、车辆运行速度和桥面的平整度等有关。

为了测定冲击系数，利用所测挠度时程曲线，根据定义可得冲击系数的大小。按冲击系数的定义有：

冲击系数的大小与车速、路面平整度状况、测点布设位置、试验工况等诸多因素都有一定的关系，图12～图16为不同车速工况下跑车位移时程曲线，其各工况最大动位移及冲击系数见表3。

跑车试验中，在各种测试车速下最大冲击系数1.122，理论跨中冲击系数1.209，该桥实际冲击作用较小，随未超过理论值，但对结构仍造成较大的冲击，桥面系不平整是造成现象的主要原因；当车速为10km/h过车时，冲击系数仅为1.007，可见车辆慢速行驶可显著降低对桥梁结构的冲击。

5 结论

1）理论计算竖向频率值为3.55Hz，竖向频率值为4.03，实测桥梁基频大于桥梁理论频率，说明桥梁结构的实际刚度大于理论刚度。

2）实测桥梁结构阻尼比0.024，通常桥梁结构的阻尼比在0.01～0.10之间，该桥结构阻尼比正常，表明桥梁结构传递振动能力较好，桥梁整体结构较为完好。

3）根据冲击系数的实测值来评价桥梁结构的行车性能：当车速小于等于10km/h时，冲击系数仅为1.007；而当车速大于等于10km/h时，冲击系数显著增大，但未超出理论冲击系数，说明桥梁结构的行车性能尚好。

【参考文献】

[1]宋一凡.公路桥梁荷载试验与结构评定[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2]刘自明.桥梁工程检测手册[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3]王根会.桥梁检测与维修加固[M].兰州：兰州大学出版社，2004.

[4]《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21-2011）[M].

[5]《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）[M].

[责任编辑：田吉捷]