预应力混凝土连续梁桥振动测试与动力特性分析

徐行军 卓维松

摘要：以某座预应力钢筋混凝土连续梁桥为例，先介绍了预应力钢筋混凝土连续梁桥的基本情况以及该桥的振动测试，然后建立符合桥梁当前状态的有限元模型，最后，通过实测和计算的结果比较分析了钢筋混凝土连续梁桥的动力特性。结果表明：动力测试与分析可对有限元模型修正，有利于桥梁健康评价和养护维修。

关键词：预应力混凝土连续梁桥; 有限元模型;振动测试;动力分析

中图分类号：U4461 文献标志码：A

文章编号：2095-5383（2019）01-0028-04

The Vibration Test and Dynamic Characteristics Analysis of the

Prestressed Concrete Continuous Beam Bridge

XU Xingjuna， ZHUO Weisongb

（a. Road Engineering Department; b. Architectural Engineering Department，

Fujian Chuanzheng Communications College， Fuzhou 350007， China）

Abstract：

Taking a prestressed concrete continuous beam bridge as an example， the basic situation and the vibration test of the bridge were introduced firstly. Then， a finite element model which accords with the current state of the bridge was established. Finally， the dynamic characteristics of the prestressed concrete continuous beam bridge by the comparison of the measured and calculated results was analyzed. The results show that the dynamic test and analysis can modify the finite element model， which is beneficial to bridge health evaluation and maintenance.

Keywords：

prestressed concrete continuous beam bridge;finite element model;vibration test;dynamic analysis

随着社会经济的发展，我國公路桥梁事业飞速发展的同时，以往修建的各级公路桥梁担负着越来越沉重的交通荷载和繁重的交通量[1-2]，暴露出各种结构损伤等问题。桥梁的技术状态未得到及时、精确的观测，使得为数众多的公路及城市桥梁发生了各种病害，已经破坏了桥梁的正常运营状态。这些不良状态，不仅大大缩短桥梁的使用寿命，甚至威胁到过往人车的安全 [3]。因此，在我国对桥梁的检测，维修及加固改造工程成为桥梁工程的重点，而对桥梁检测评估则作为桥梁维修和加固的依据研究显得非常必要。本文对连续梁桥进行振动测试，建立符合该桥当前状态的有限元模型，通过实测和计算的结果比较分析了钢筋混凝土连续梁桥的动力特性，更好服务于于桥梁健康评价和养护维修。

1测试大桥概况

测试桥梁全长为3 08746 m，其中主桥为50 m+5×80 m+50 m的预应力砼变截面箱型连续梁桥，南北引桥采用预应力T型准连续梁，如图1所示。设计荷载等级：汽超-20，挂-120。

2预应力连续梁桥振动测试

1）试验目的

测试大桥主桥7跨连续梁桥的全桥的基本动力特性，为进一步进行桥梁有限元模型提供材料参数依据，为大桥进一步监测、养护评价和维修提供基础性数据。

2）试验内容

测试大桥主桥7跨连续梁桥的竖向、横向及纵向振动特性。

3）测点布置

大桥进行振动试验时，将每跨均分为八等分，其测点布置如图2所示，全桥横、竖及纵向3个方向分别设6个测站，主桥分别在横、竖、纵桥向布置了总共171个及3个参考点（各方向均为57个测点及1个参考点）[4]，如图2所示。

测试桥梁处于交通干线上，其交通量大，车速快，危险性较大，因此在白天进行。本次振动试验测试时桥梁振动的加速度信号由传感器拾振，并通过放大器放大再由采集仪采集大量的加速度信号。测试仪器采用INV306智能信号自动采集处理和分析系统：891Ⅱ及941B型水平向、垂直向速度传感器→INV16及IVN9多功能抗混滤波放大器→306G（LF）（32通道）数据采集仪→笔记本电脑→DASP数据处理软件及MACEC动态数据处理软件包[5]。3个方向的采样频率取为600 Hz，滤波400 Hz，采样时间为10 min。

3预应力连续梁桥动力特性分析

31试验模态分析

采用MACEC软件对试验数据处理，对测试所得的数据，得到实测的横、纵及竖向自振频率和振型。

311竖向自振频率和振型

采用峰值法得到的竖向1阶频率见图3，采用随机子空间法得到测站的数据稳定图[6]，见图4。峰值法与随机子空间法两种方法得到竖向频率均列于表1。

桥梁自振振型在数据稳定图基础上以随机子空间方法处理数据，获得实测的竖向1阶的振型，见图5。

312横桥水平向自振频率和振型

采用峰值法得到的横向1阶频率见图6，采用随机子空间法得到的稳定图[6]，见图7。峰值法与随机子空间法得到竖向频率均列于表1中。

桥梁自振振型在数据稳定图基础上以随机子空间方法处理数据，获得实测的横向1阶的振型，见图8。

313纵桥向自振频率和振型

采用峰值法得到的纵向1阶频率见图9，采用随机子空间法得到测站的数据稳定图[6]，见图10，峰值法与随机子空间法两种方法得到纵向频率均列于表1。

桥梁自振振型在数据稳定图基础上以随机子空间方法处理数据，获得实测的1阶的振型，见图11。

32有限元模型建立

桥梁分析模型以通用的MIDAS有限元分析软件为基础建立有限元模型[7]。在该有限元模型中（见图12），根据实际位置施加约束，箱梁采用MIDAS中的粱单元，两端桥台施加沿桥梁纵向的弹簧约束，以模拟伸缩缝状况。防撞护栏和桥面铺装层采用外加荷载处理。在桥梁桥墩位置处约束其竖向的自由度，并采用弹簧单元来模拟其横向和纵向的约束作用[4]。4#墩承台底部纵向固结[8]。

33计算与实测结果自振频率比较

通过有限元计算和振动试验得到了大桥的基本动力特性[9]，对其结果进行比较，频率结果见表1。

从表1数值可以得出，PP法和SSI法得到的频率比较一致。计算频率和实测频率基本吻合，但存在一定的误差，主要原因是有限元模型的单元类型选择、材料参数取值和边界条件等和实际存在一定差异。

4模态保证准则的计算及振型比较

计算振型与实测振型的相关性可以通过模态保证准则（MAC）来计算：

MAC（φa，φe）=φTaφe2φTaφaφTeφe（1）

式中：φa与φe分别代表分析与实测模态振型向量。如果模态完全相关，则MAC=10，如果模态完全不相关，则MAC=00。MAC值越接近于1，表示计算值与实测值的模态相关性就越高[10]。测试大桥的计算与实测模态的MAC计算值见表2。

从图5、8、11的第一跨的实测振型和有限元计算振型对比图，计算MAC值（见表2）大部分都在85%以上（横向振型除外），表明模态相关性高，计算振型和实测振型吻合较好。

5结语

1）具有便捷、可靠、不影响日常交通通行要求等特点的桥梁振动测试，可作为桥梁动力特性检验测定和评估的有效手段之一;

2）振动测试能够识别出简支桥梁基本动力特性。测试大桥的竖向基频为0928 Hz，横向基频为0895 Hz，纵向基频为1029 Hz。

3）从振动测试结果可以看出，PP法和SSI法得到的频率比较一致，误差均在5%的

范围内。计算频率与实测频率基本吻合，但存在一定的误差。主要原因是有限元模型没有进行进一步的修正，有限元模型的单元类型选择、材料参数取值和边界条件等和实际可能存在一定的差异。

4）通过试验模态分析和有限元计算分析，我们可以看出测试大桥的模态保证准则的计算值MAC都大于80%，其中除了竖向3阶和6阶外，其余均大于85%，说明计算振型和实测振型基本吻合。

5）振動测试结果可以作为今后桥梁动力特性变化的参照和基础，有利于桥梁健康评价和养护维修。参考文献：

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