独柱墩连续宽箱梁桥异常振动研究

高毅雄

(湖南省交通规划勘察设计院有限公司,湖南 长沙 410000)

1 工程背景

长沙县星沙联络线城市快速路上一座3跨连续宽箱梁桥,平面位于曲线上,孔跨布置为(27+38+27)m,一个中间墩与梁体固结,其余墩上设置盆式支座,横向布置2个支座,中心间距3.75 m。上部结构采用等截面单箱四室斜腹板连续箱型梁,设计按部分预应力混凝土A类,混凝土强度为C50,梁高2.1 m,箱梁顶底板设有1.5%双向横坡,顶板厚25 cm,底板厚22 cm;翼板悬臂长2.25 m,悬臂根部板厚45 cm,端部板厚18 cm。箱梁腹板厚45 cm,梁端设置1.5 m厚端横梁,连续墩顶设置2.8 m厚中横梁。桥墩均采用双桩花瓶墩,墩身底部为2.6 m×3.35 m,桥墩及桥台采用C40混凝土,桩基础。桥面铺装为10 cm厚沥青混凝土。荷载等级:城-A级;道路等级:城市快速路。

桥梁双向四车道,桥宽18.5 m=2×0.5 m(防撞护栏)+0.5 m(路缘带)+(3.75+3.5)m(行车道)+0.5 m(路缘带)+1.0 m(中央分隔带)。

某日晚下班高峰期,市民反映该桥在重车通行时有明显振感,司乘人员有明显的上下颠簸感觉,出现驾乘极度不舒适性,影响桥梁的正常使用。桥梁结构的异常振动假若长周期反复出现,对该桥的安全运营会产生很大的隐患。

2 桥梁动力特性分析

2.1 测点布置

本次动力特性测试采用环境随机激振法(脉动法),在完全封闭交通桥面无行车影响及桥址附近无规则振源的情况下,通过采用高灵敏度传感器测定桥梁由于风荷载、地脉动等随机激励引起的微幅振动来识别结构的自振特性参数,包括结构自振频率、阻尼比和振型[2,4]。高灵敏度传感器采用国家地震局工程力学研究所研制的941-B型拾振器,采集仪采用DASP动态信号测试系统。拾振器采用橡胶泥粘结,竖向拾振器按4等分点布置在护栏内侧桥面上,沿桥梁中心线对称布置,横向拾振器布置在中跨跨中处,共计19个拾振器。

2.2 模态分析

模态分析即结构的自振特性分析,包含结构的自振频率、振型及阻尼比。本次模态试验采样频率设置为51.2 Hz,每组采样时间为30 min,采用941-B型拾振器,通过现场模态试验(自然脉动),DASP模态分析模块分析得到该桥的自振频率及振型,通常仅考虑前3阶的阶次。该桥的前4阶固有频率、阻尼比及各阶次振型特征如表1所示。

表1 实测固有频率分析结果

从表1中实测固有频率及振型可知:该桥除低频纵飘外,主要振型为扭转和竖弯模态,且1阶模态为扭转模态,扭转固有频率较小,扭转振型先于竖弯振型出现,从而验证了该桥发生异常振动的可能。

2.3 有限元分析

(1)有限元模型的建立

采用有限元软件ANSYS进行建立三维实体模型分析,有限元模型中桥梁纵向轴线按设计图纸设置为曲线,充分考虑曲线梁桥实际存在的扭转效应;考虑护栏实际处于不连续状态,对桥梁的整体刚度影响较小,但是对结构的质量有影响,因此在建立护栏的同时,降低护栏的弹性模量;桥面铺装以质量的形式加入模型;桥墩本身的抗弯、抗扭刚度有限,上部结构变形时,桥墩也会随之发生变形,其对结构的横弯、扭转模态有较大影响,此次分析将桥墩纳入有限元模型;盆式橡胶支座由于钢盆的侧向约束作用,其抗压刚度较大,因此其弹性模量取一个较大值。模型中所有单元均采用SOLID45,共9108个单元,17252个节点。混凝土材料特性按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)取。各桥墩墩底固结,约束与设计图纸一致。

(2)有限元分析结果

通过实体有限元建模分析,并与现场模态试验实测值进行对比,结果表明:现场实测值与理论计算值非常接近,拟合度较好,进一步验证了计算模型的可靠性。从表2可知该桥的1阶扭转实测频率值大于理论计算值,表明该桥的实际抗扭刚度满足设计要求。但现场实测和有限元模拟显示该桥的第1阶振型均为扭转,后续振型为竖弯。表明该桥的抗扭刚度较小,外界激励下更容易发生扭转振动,扭转振动先于竖弯振动出现。同时由于本桥为弯桥,弯桥的弯扭耦合作用进一步放大了扭转变形,并最终导致了本次桥梁异常振动。该桥的前几阶理论固有频率及模态振型如表2所示。

表2 动力特性测试结果与理论值对比

2.4 车行振动舒适度评价

桥梁振动引起的驾驶员、乘客和桥上行人的不舒适和感觉不安全,是人体对振动的反应。在汽车车行振动领域目前没有可直接参考的舒适性指标,但在轨道交通领域和人行桥人行振动领域,德国分别有Sperling舒适度评价指标和《德国人行桥设计指南》EN03作为舒适度参考依据[5]。

(1)舒适性评价指标

①Sperling舒适度评价指标

Sperling舒适度评价指标是第二次世界大战之前,德国铁路车辆研究所的Sperling等人针对轨道交通的车行振动对人体生理感觉的影响进行了大量试验研究,总结出的用于评定车辆本身运行品质和乘客乘坐舒适性的平稳性指标。影响人体舒适度的2个最重要因素是振动的频率和加速度。

Sperling平稳性指标的表达式为

式中:W为单一频率下的平稳性指标;a为加速度,cm/s2;f为振动频率,Hz;F(f)为频率修正系数;Sperling平稳性指标的评定标准。

②《德国人行桥设计指南》EN03的舒适度评价指标

《德国人行桥设计指南》EN03是德国现行的人行桥设计指南,其中针对人行桥在人群荷载下的振动提出了一套舒适性评价指标。EN03中对于人群荷载作用下的舒适级别与加速度限值如表3所示。

表3 EN03中人群荷载作用下的舒适级别与加速度限值

(2)车行振动响应舒适度评估

①基于Sperling标准的舒适度评价

基于本次实测数据和 Sperling 评价标准得到的不同测点处舒适度等级如表4所示,从表中可以看出,所有测点处均有人体可以感受到的明显振动,其中所有测点的振动强烈,2处测点振动极端不规则,人体不能长期忍受,桥梁总体舒适度较低。

表4 基于Sperling评价指标的桥梁各测点处舒适度等级

表5 基于EN03标准的桥梁各测点处舒适度评价

②基于EN03标准的舒适度评价

基于本次实测数据和EN03标准的舒适度评价得到的不同测点处舒适度等级如表所示,表中可以看出,4处测点中有2处测点的加速度极值超限,其中第2跨跨中横向加速度超限严重,桥梁整体舒适度较低。

综合以上2种车行振动舒适度评价标准,可知该桥的整体舒适度较低,表明桥梁舒适性与实桥上司乘人员的真实感受。

3 现场变形监测

由于车辆荷载的作用位置和荷载大小会随着时间一直发生改变,故桥梁结构会在其作用下产生振动响应。本次采用形变雷达系统,对在发生异常振动的同一时段,对在车流量较大的时段在重车通行时进行振动变形进行监测。监测特征点分别位于中跨跨中截面底。

本次现场监测工作持续了3 d,观察所有监测时段的测量数据,当重车通行时,三个点位的位移时程曲线呈静态的变化趋势,未出现上下错综交替变化的情况,即未捕捉到大幅扭转振动情况。

从竖向振动位移时程曲线中可知:(1)当重车行驶至观测截面时,梁体发生明显下挠,表明结构响应正常,同时也验证了本监测方法的可靠性。(2)总变形中包含了竖向挠曲和扭转变形,且竖向挠度分量在总变形中占比更大,表明该桥在正常工作状态时是以竖向挠曲为主,未发生异常的扭转变形。(3)重车作用下,未发生共振时,结构最大的挠度值不超过1.5 mm,小于《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)所规定的限值l/600=63.3 mm,表明结构的刚度满足设计规范要求。

从而证实了此次异常振动的出现时机具有不确定性,但它仍然是造成结构损伤并影响桥梁安全运营的一个潜在威胁,需及时进行处治。

4 原因分析及处治方法

4.1 原因分析

本桥桥墩采用花瓶独柱墩结构,桥墩上两个支座的横桥向距离较小,约为主梁底板宽的1/4,对箱梁所提供的抗扭约束较弱,导致结构整体的抗扭刚度较小。

现场实测1阶扭转频率值2.725 Hz,通行的汽车激振频率与扭转振型的固有频率比较接近,因此该桥扭转振动位移应与汽车引起的结构共振有关,扭转振动先于竖弯振动出现。

该桥异常振动的出现时机具有不确定性,需外界环境的激励频率接近,但它仍然是造成结构损伤并影响桥梁安全运营的一个潜在威胁,需要及时进行处治。

4.2 处治方法

针对此次异常振动,采取的处治方法如下。

局部增加支座支撑。对其三个布置支座的桥墩上外扩增加一对双向活动支座,可以提高桥梁结构的扭转频率,又考虑了桥下空间的占用问题,对于提高结构刚度和抑制车行振动响应非常有利,通过后续进一步跟踪监测该桥未再发生同类型的异常振动。

5 结 语

通过某连续箱梁的现场脉动试验和理论分析,分析了该桥异常振动的原因,并提出了切实有效的处治方法。实践证明:在桥墩上外扩增加一对双向活动支座,能有效减小独柱墩桥梁在车辆作用下的振动,加固后通过跟踪监测未再发生同类型的异常振动,可为同类桥梁的振动病害处治提供借鉴和参考。