大跨连续箱梁桥自振特性及动力响应分析

张 巍 （安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230031）

0 前言

通过对动力荷载所引起的桥梁结构响应的测试与分析，主要解决两个问题：一是桥梁结构的自身动力性能即固有特性，包括自振频率、振型和阻尼比3个参数，可用于结构动力特性评价及桥梁抗风、抗震评估；二是汽车荷载作用下结构的动态响应规律即动态输出，主要模拟实际运营中车辆正常行驶、停驶以及跨越桥面坑洼处时分别引起结构响应如动挠度、动应变等参数的比值，从而确定结构的动力放大系数（冲击系数）。

1 工程概况

该桥跨径布置为（30+50+30）m，横断面布置为：0.5m（防撞护栏）+0.5m（路缘带）+11.0m（机动车道）+0.5m（路缘带）+0.5m（防撞护栏）=13.0m，上部结构采用变截面现浇连续箱梁，下部结构采用门式墩，桩接盖梁桥台，桩基础。主梁采用C50混凝土，桥墩采用C40混凝土，承台采用C30混凝土，桩基础采用C30水下混凝土。桥面铺装：8cm防水混凝土+XYPEX防水层+6cm AC-20C沥青混凝土+4cm AC-13c（SBS改性）沥青混凝土，支座采用盆式支座，伸缩缝采用80型梳形板伸缩缝。设计汽车荷载为公路-Ⅰ级。桥梁立面布置如图1，标准横断面布置如图2所示。

图1 立面布置示意（单位：cm）

图2 横断面布置示意（单位：cm）

2 有限元模型及测试参数

2.1 有限元模型

以设计资料为依据运用有限元软件M idas/civil建立该桥仿真模型进行成桥状态下自振特性分析。模型中采用梁单元模拟连续大箱梁，采用“三节点法”模拟支座，模型共121个节点，104个单元，竖向自振频率计算时将自重和恒载转换成质量。桥跨结构仿真计算模型如图3所示。

图3 仿真计算模型

2.2 测试参数

2.2.1 自振特性参数

①自振频率：自振频率与结构刚度有着明确的关系且容易精确测量，用其评价桥跨结构的刚度具有一定的可靠性。

②振型：一定程度上通过实测振型的对比分析可以反映出桥跨结构的缺损状况，即桥梁在出现缺损时振型将会出现变异、与基准振型不吻合。

③阻尼比：阻尼比是表示结构物耗散振动能量的能力，需要通过实测得到，将实测数据与同一座桥的历史数据或同类桥梁的历史经验数据进行对比，可粗略判断桥跨结构的技术状况是否出现劣化。

现场采用精度和效果较好的环境随机激振法进行模态参数识别，具体测试截面及拾振器测点的布置如图4、图5所示。

图4 自振特性测试截面示意（单位：cm）

图5 拾振器测点横向布置示意

2.2.2 动力响应参数

动力响应参数包括振动加速度、速度、动挠度、动应变和动力放大系数，在实际应用过程中一般通过测试动挠度和动应变的时程曲线来计算动力放大系数。由于现场条件限制，动挠度测试难度较大，本次仅测试振动响应幅值最大部位（主跨跨中截面）的动应变来获得各试验工况下的动力放大系数。测试截面动应变测点的布置如图6所示。

图6 测试截面动应变测点布置示意

3 自振特性测试结果分析

按照规范的相关要求，连续梁桥一般需要测试其前3阶自振特性，根据模型计算可得该桥跨结构的前3阶自振特性均为竖平面内弯曲特性。另外现场采用满足技术要求、集测试与分析一体化的系统对环境随机振动信号进行采集分析。具体测试结果分析如图7～图11所示。

综上可得：该桥实测前三阶自振频率均较理论计算值大，实测前三阶阻尼比分别为2.28%、1.90%、5.24%，实测前三阶振型与计算振型均基本吻合。

图7 实测环境随机振动时域信号

图8 实测功率谱

图9 一阶振型

图10 二阶振型

图11 三阶振型

4 动力响应测试结果分析

为了模拟桥梁实际运营状况，动力响应试验设置了无障碍行车、有障碍行车和制动试验3种工况。其中无障碍行车试验采用与车道数相同的3辆载重汽车横向并排行驶通过测试截面，行驶速度以10km/h为间隔从20km/h逐级递增至设计时速60km/h；有障碍行车试验采用1辆载重汽车以20km/h车速通过测试截面上的障碍物；制动试验采用2辆载重汽车以30km/h车速在测试截面上制动。具体测试结果分析如图12～图13所示。

图12 实测动应变曲线

自振特性测试结果对比 表1

动力放大系数计算结果 表2

图13 无障碍行车试验动力放大系数与车速关系曲线

综上所得：该桥实测动力放大系数会因试验工况的不同而不同，且在无障碍行车试验下，动力放大系数基本与行车速度成正比例关系；同时在有障碍行车试验和制动试验下测得的动力放大系数偏大，表明桥面平整度和车辆紧急制动对桥跨的冲击效应影响较大。

5 结语

①该桥实测自振特性基本满足设计要求。实测动力放大系数会因试验工况的不同而不同，且在无障碍行车试验下，动力放大系数基本与行车速度成正比例关系；同时在有障碍行车试验和制动试验下测得的动力放大系数偏大，表明桥面平整度和车辆紧急制动对桥跨的冲击效应影响较大，因此在运营过程中应避免超速行驶并加强桥面系的日常养护。

②由于动力响应测试时取用的试验荷载与规范规定的汽车荷载标准值存在一定的差异，因此实际评价中应注意动力放大系数与冲击系数的区别，不能简单的相比较。

③成桥自振特性和动力响应实测数据可作为基础资料，为日后运营过程中桥梁的技术状况评定提供依据。