不同水深環(huán)境下橋梁群樁基礎(chǔ)動力特性

伍勇吉， 魏 凱， 龐于濤， 袁萬城

(同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200092)

本文以某深水橋梁群樁基礎(chǔ)為工程背景，制作實(shí)體模型通過試驗(yàn)來進(jìn)行科學(xué)研究，采用了自由振動衰減法里的力錘激勵進(jìn)行樁基模型在不同水深工況下的動力特性研究，同時利用有限元分析軟件ADINA進(jìn)行數(shù)值模擬，最后將結(jié)構(gòu)有限元分析和模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了相互比較和討論，去驗(yàn)證試驗(yàn)方法的可行性與準(zhǔn)確性，并探索一些水深變化對該模型結(jié)構(gòu)動力特性的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀x器設(shè)備及測試方法

在橋梁結(jié)構(gòu)振動試驗(yàn)中，常采用模態(tài)識別技術(shù)進(jìn)行其動力特性(頻率、振型、剛度、阻尼等)測試，來了解它的振動狀態(tài)[11]。試驗(yàn)?zāi)B(tài)參數(shù)識別可分為時域模態(tài)參數(shù)識別法和頻域模態(tài)參數(shù)識別法，目前，在橋梁工程上應(yīng)用較多的是頻域法，根據(jù)不同激振方式，它又分為強(qiáng)迫振動法、環(huán)境隨機(jī)振動法和自由振動衰減法[12～14]。其中，強(qiáng)迫振動法也叫共振法，通常利用激振器械對結(jié)構(gòu)進(jìn)行連續(xù)正弦掃描，調(diào)節(jié)激振信號的頻率，使結(jié)構(gòu)發(fā)生某階頻率共振，得到其頻率-幅值曲線(共振曲線)。環(huán)境隨機(jī)振動法是通過結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境下的振動響應(yīng)來進(jìn)行信號處理的一種方法。而自由振動衰減法是給結(jié)構(gòu)一個瞬態(tài)激振力(初位移或初速度等)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動，來得到該結(jié)構(gòu)的自由振動衰減曲線，能使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生自由振動的方法很多，如錘擊、跳車、突然釋放等，該方法操作簡單，不需要激振器，具有較好的信噪比，在工程中具有一定的實(shí)用性和可靠性。故本文使用了結(jié)構(gòu)自由振動衰減力錘激勵的方法對深水橋梁群樁基礎(chǔ)考慮水影響下的動力特性進(jìn)行了有益的探索與研究。

本試驗(yàn)需專門設(shè)計(jì)一座用于本試驗(yàn)的磚石水池(一半地下開口方形階梯式)，以及一個試驗(yàn)九樁鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁樁基模型(以下簡稱“九樁模型”，縮尺比1/30)。測試系統(tǒng)主要儀器設(shè)備有：力錘、CA-YD-103型加速度傳感器、8通道TS5857電荷放大器、INV306U智能信號采集處理分析儀、裝有INV306U智能信號分析軟件的PC機(jī)以及相應(yīng)的聯(lián)接電纜或信號線等。

1.1 試驗(yàn)磚石水池

本水池設(shè)計(jì)為一半地下開口方形階梯式磚石水池。上主水池容積18 m3，凈寬a1=b1=3 m，凈高h(yuǎn)1=2 m，為一般池；下附屬水池容積約2.6 m3，凈寬a2=b2=1.8 m，凈高h(yuǎn)2=0.55 m，主要用于后期模型底板改造及加固，進(jìn)一步使模型邊界條件理想化。其平立面圖如圖1、2所示。

圖1 試驗(yàn)水池平面圖/mm

圖2 試驗(yàn)水池1-1立面圖/mm

1.2 試驗(yàn)九樁模型

模型最大尺寸：

lmax=6dmax=0.36 m，dmax=0.06 m ；

模型制作的最大縮尺比：

故擬定九樁模型的縮尺比為1/30，其構(gòu)成部件及具體尺寸為：鋼管樁(樁徑60 mm，壁厚1.4 mm，樁間距150 mm，樁長2000 mm)，其下端樁長250 mm段及下鋼底板均嵌入后期在附屬水池澆筑的鋼筋混凝土內(nèi)，形成端承樁；鋼板-混凝土組合承臺(600 mm×600 mm×300 mm)；鋼筋混凝土橋墩(200 mm×100 mm×1500 mm)。其中，混凝土均采用C25，其立面圖及實(shí)體圖如圖3、4所示。

圖3 九樁模型立面圖/mm

圖4 試驗(yàn)水池及九樁模型實(shí)體圖

1.3 模態(tài)試驗(yàn)設(shè)備連接示意圖

試驗(yàn)儀器設(shè)備準(zhǔn)備好之后，按如下示意框圖5進(jìn)行連接。

1.4 測點(diǎn)布置及測試方法

動態(tài)測點(diǎn)布置前應(yīng)根據(jù)理論計(jì)算的振型圖而盡量選擇在振型曲線峰值(即振動幅值)較大的控制面處，避免將測點(diǎn)布置在振型曲線上的節(jié)點(diǎn)處，為此試驗(yàn)前首先應(yīng)用Adina有限元分析軟件進(jìn)行了該模型結(jié)構(gòu)的動力特性分析，同時測點(diǎn)在平面上布置時，盡量設(shè)置在結(jié)構(gòu)各段的剛度中心處。由于試驗(yàn)時受到傳感器數(shù)量及配套設(shè)備的限制，本模型試驗(yàn)利用單點(diǎn)激勵多點(diǎn)拾振的模態(tài)分離法[15]的思想，充分利用激振點(diǎn)和測量點(diǎn)的選擇來孤立和分離模態(tài)，使復(fù)雜的多模態(tài)(包括密集模態(tài))結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出簡單模態(tài)的性態(tài)。因此，本次試驗(yàn)在墩頂X、Y向中心處(分別為2、1點(diǎn))，墩中X、Y向中心處(分別為4、3點(diǎn))，承臺X、Y向中心處(分別為6、5點(diǎn))，承臺X、Y向側(cè)邊處(分別為8、7點(diǎn))、以及樁身X、Y向近1/2處(分別為10、9點(diǎn))布置了傳感器(如圖3所示)。選擇隨機(jī)采樣模式，采用自由振動衰減法里的力錘觸發(fā)。按照水深分別為0、30、55、75、95、115、135、155、175、190、205 cm十一個工況來進(jìn)行試驗(yàn)。

圖5 模態(tài)試驗(yàn)儀器設(shè)備連接示意框圖

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

按第1.4節(jié)試驗(yàn)測試方法進(jìn)行操作，試驗(yàn)完成后，將收集得到的信號在裝有INV306U智能信號分析軟件的PC機(jī)上采用半功率帶寬法來進(jìn)行處理提取數(shù)據(jù)，確定相應(yīng)陣型的頻率。同時，應(yīng)用Adina有限元分析軟件對圖4所示九樁模型分別在十一個不同水深工況下建立相應(yīng)的三維實(shí)體有限元模型(圖6)，計(jì)算其動力特性，并將其相對應(yīng)的各階有限元頻率值與試驗(yàn)值分析對比圖及誤差比分別如圖7、表1所示。

圖6 三維實(shí)體有限元九樁模型

表1 不同水深各階模態(tài)試驗(yàn)值與有限元值誤差比(%)

從圖7與表1中可以看出：(1)試驗(yàn)值與理論值數(shù)值大小及變化趨勢基本一致，其相對誤差百分比小于5%，故本文中采用錘擊激勵的自由振動衰減法對群樁基礎(chǔ)模型進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)是成功的。(2)考慮水-結(jié)構(gòu)相互耦合作用后，深水對結(jié)構(gòu)的動力性能會產(chǎn)生影響，群樁基礎(chǔ)的一階側(cè)彎與扭轉(zhuǎn)陣型周期延長，頻率減小。(3)隨著水深不斷增加，水對結(jié)構(gòu)動力特性的影響也逐漸增大，周期延長、頻率減小得愈快；并且當(dāng)水深在承臺頂、底面區(qū)間內(nèi)(水深150～205 cm)變化時結(jié)構(gòu)周期頻率變化尤為明顯，即水影響也越強(qiáng)。

3 結(jié) 論

通過對本深水群樁基礎(chǔ)九樁模型的模態(tài)試驗(yàn)以及有限元分析的結(jié)果，可以得到如下結(jié)論：

(1)利用錘擊法的自由振動衰減法對深水群樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了單點(diǎn)激勵、多點(diǎn)拾振的模態(tài)試驗(yàn)，與有限元理論分析的結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了該試驗(yàn)方案的整體設(shè)計(jì)、執(zhí)行思路及試驗(yàn)方法是成功的。

(2)要獲得較好的某階模態(tài)，動態(tài)測點(diǎn)布置前應(yīng)根據(jù)理論計(jì)算的振型圖而盡量選擇在振型曲線峰值(即振動幅值)較大的控制面處，避免將測點(diǎn)布置在振型曲線上的節(jié)點(diǎn)處，且激振點(diǎn)應(yīng)位于該階模態(tài)振幅最大或接近最大值處。

(3)考慮水-結(jié)構(gòu)相互耦合作用后，水會對結(jié)構(gòu)的動力特性產(chǎn)生明顯的影響，群樁基礎(chǔ)的一階側(cè)彎與扭轉(zhuǎn)陣型周期延長，頻率減小；隨著水深不斷增加，水影響也逐漸增大，周期延長、頻率減小得愈快；且水深在承臺頂?shù)酌鎱^(qū)間內(nèi)變化時，結(jié)構(gòu)周期頻率變化尤為明顯，即水影響也越強(qiáng)。

實(shí)際上，橋墩、承臺、樁承受風(fēng)、流、浪、震等惡劣自然環(huán)境作用，加上地震動、水流狀況性質(zhì)特殊，所以群樁基礎(chǔ)與水的相互作用會更為顯著，整個群樁基礎(chǔ)系統(tǒng)的振動特性也尤為明顯，極有可能會引發(fā)樁基屈曲或失穩(wěn)，影響著該橋梁墩樁結(jié)構(gòu)的剛度與穩(wěn)定性，甚至整座橋梁的安全性。通過本文知道水深變化如何影響結(jié)構(gòu)的動力特性之后，怎樣去降低深水或水深變化對樁基結(jié)構(gòu)動力特性的影響，使之有利于結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，值得我們進(jìn)一步深入探討。

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