大跨度钢管混凝土桁架拱桥动力响应分析

胡媛媛　雷民

摘要：评价钢管混凝土桁架拱桥在动力试验荷载作用下的动力响应，为此类桥型的设计施工和运营养护提供参考。以贵州省三施高速公路江凯河特大桥为工程背景，分析动载试验下桥梁的动力响应和振动模态参数。

关键词：钢管混凝土桁架拱桥;动力响应;振动模态参数

中图分类号：U441;U448.22文献标识码：A文章编号：1672-9129（2020）06-0095-01

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

Keywords：concretefilledsteeltubetrussarchbridge;Dynamicresponse;Vibrationmodalparameters

近年來我国桥梁事业蓬勃发展，由于钢管混凝土桁架拱桥结构形式独特，自重较轻，施工过程中稳定性好，承载能力高，因此钢管混凝土桁架拱桥桥梁结构广泛应用[1-2]。静力性能研究较为全面，但动力性能结合实际分析方面论文较为鲜少[3-5]。因此为钢管混凝土桁架拱桥动力性能提供个案为相关工作研究着提供参考也较为重要。

本文以三施高速公路江凯河特大桥为例，进行桥梁动载试验，采集结构自振频率、冲击系数、阻尼比和动应变及动力系数，分析结构动力响应，评价钢管混凝土桁架拱桥动力特性。

1工程概况

桥梁为双向四车道高速公路，公路-I级，设计车速80km/h。桥梁结构为钢管混凝土桁架拱桥主桥跨径220m，桥梁总宽28.5m，拱轴线系数为1.6，净矢高55m。桥面系采用半漂浮体系，立柱和主横梁设置板式橡胶支座。

本文采用MidasCivil建立有限元模型，主桥结构模型如图1所示，吊杆采用桁架单元，主拱圈及主梁桁架结构采用梁单元，试验荷载采用集中荷载的方式施加，通过移动活载影响线分析后，提取桥梁关键截面所受最不利内力时所对应的荷载布置情况。

2检测内容及试验方法

2.1检测内容。为评价江凯河特大桥主桥的动力性能，进行动载试验。通过结构特性选定跨中截面，主要通过脉动试验、行车试验测桥梁结构在自然状态下和受迫振动作用下结构的动力响应，测定桥梁的动力特性（自振频率、阻尼比、振型）及冲击效应（动应变放大系数）。

根据本桥特点及检测现场情况，模态测试竖向振型测点分别设置在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，其中选取主梁3/8L截面为参考点;动载应变测试截面布置在L/2（4-4截面），拾振器位置设置在内侧护栏内侧部位。

2.2试验方法。采集桥跨结构自由振动状态下代表性部位振动加速度、特征截面动应变时域信号，通过频谱分析等方法得到桥跨结构自振特性参数。自振特性测定试验采用的激励方式：

（1）模态试验：利用环境随机激励，在桥面进行长时间模态信号采集。

（2）行车余振激励：4辆加载车（单辆重约35t）以不同的速度通过桥梁，采集车辆出桥后桥跨结构的自由振动信号，拾振器布置在相应截面桥面中心线处。

（3）刹车试验：采用2辆载重汽车在无障碍行车状况下，以中央分隔带为中心线两边对称跑车至试验截面刹车，测定桥跨结构在制动力荷载作用下的动力反应时程曲线。

3检测结果

模态测试：采用有限元模型计算桥跨结构自振特性，采用脉动试验分批次进行模态测试。前三阶竖弯理论频率为0.8、1.14、1.81Hz;实测频率为0.91、1.3、1.81Hz，对比可知，前三阶实测相位及频率与理论计算吻合较好。

自振频率：采用脉动激励桥梁振动，用高灵敏加速度计拾取结构自振信号，计算得到结构的自振频率为0.8Hz，在理论可识别的范围，试验主桥实测竖向一阶频率为0.90Hz。实测自振频率大于计算自振频率，表明桥梁结构刚度满足规范要求。

冲击系数：4-4截面跑车试验应变增大系数最大值为1.03～1.07，试验冲击系数为0.03～0.07，刹车试验应变增大系数最大值为1.05～1.09，试验冲击系数为0.05～0.09，计算冲击系数为0.07。其中刹车试验实测冲击系数大于理论值。原因可能是由于：（1）车辆参数的偏差引起，例如轴重;（2）桥面竖向不平整影响行车激励振动冲击过大。

阻尼比：桥梁结构阻尼参数采用波形分析法计算，本文取两个波峰、波谷值为计算点，残余计算波个数为8个。计算得到4-4截面阻尼比为0.74%。

行车振动频谱分析：4-4截面行车振动响应分析2阶频率均大于理论2阶频率，且各截面行车振动响应分析频率与脉动分析频率相近。

4结论

实测本桥竖向一阶基频为0.90Hz，大于相应的理论计算竖向一阶基频0.80Hz;行车振动响应分析频率均大于对应阶数理论频率。实测冲击系数在0.02～0.12之间。前三阶实测相位及频率与理论计算吻合较好，实测阻尼比正常。跑车的各项动力系数均在正常范围内，桥梁整体动力特性良好，行车性能满足规范要求。

参考文献：

[1]黄志忠.中承式钢管混凝土组合拱桥力学性能试验研究[J].湖南城市学院学报（自然科学版），2015，24（03）：5-8

[2]伍尚干.复合钢管混凝土组合桁架梁桥探讨[C].中国公路学会2002年学术交流论文集.：中国公路学会，2002：224-231

[3]滕乐.大跨度钢管混凝土桁架拱桥静动力计算和拱脚外包段详细应力计算与优化[D].西南交通大学，2017.

[4]魏维.部分混凝土钢管桁架拱桥受力性能研究[D].长沙理工大学，2017.

[5]张庆森.钢管拱的动力特性分析[C].北京力学会.北京力学会第26届学术年会论文集.北京力学会：北京力学会，2020：697-707