預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋振動測試與動力特性分析

徐行軍 卓維松

摘要：以某座預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)梁橋?yàn)槔?，先介紹了預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)梁橋的基本情況以及該橋的振動測試，然后建立符合橋梁當(dāng)前狀態(tài)的有限元模型，最后，通過實(shí)測和計算的結(jié)果比較分析了鋼筋混凝土連續(xù)梁橋的動力特性。結(jié)果表明：動力測試與分析可對有限元模型修正，有利于橋梁健康評價和養(yǎng)護(hù)維修。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋; 有限元模型;振動測試;動力分析

中圖分類號：U4461 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：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

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國公路橋梁事業(yè)飛速發(fā)展的同時，以往修建的各級公路橋梁擔(dān)負(fù)著越來越沉重的交通荷載和繁重的交通量[1-2]，暴露出各種結(jié)構(gòu)損傷等問題。橋梁的技術(shù)狀態(tài)未得到及時、精確的觀測，使得為數(shù)眾多的公路及城市橋梁發(fā)生了各種病害，已經(jīng)破壞了橋梁的正常運(yùn)營狀態(tài)。這些不良狀態(tài)，不僅大大縮短橋梁的使用壽命，甚至威脅到過往人車的安全 [3]。因此，在我國對橋梁的檢測，維修及加固改造工程成為橋梁工程的重點(diǎn)，而對橋梁檢測評估則作為橋梁維修和加固的依據(jù)研究顯得非常必要。本文對連續(xù)梁橋進(jìn)行振動測試，建立符合該橋當(dāng)前狀態(tài)的有限元模型，通過實(shí)測和計算的結(jié)果比較分析了鋼筋混凝土連續(xù)梁橋的動力特性，更好服務(wù)于于橋梁健康評價和養(yǎng)護(hù)維修。

1測試大橋概況

測試橋梁全長為3 08746 m，其中主橋?yàn)?0 m+5×80 m+50 m的預(yù)應(yīng)力砼變截面箱型連續(xù)梁橋，南北引橋采用預(yù)應(yīng)力T型準(zhǔn)連續(xù)梁，如圖1所示。設(shè)計荷載等級：汽超-20，掛-120。

2預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋振動測試

1）試驗(yàn)?zāi)康?/p>

測試大橋主橋7跨連續(xù)梁橋的全橋的基本動力特性，為進(jìn)一步進(jìn)行橋梁有限元模型提供材料參數(shù)依據(jù)，為大橋進(jìn)一步監(jiān)測、養(yǎng)護(hù)評價和維修提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。

2）試驗(yàn)內(nèi)容

測試大橋主橋7跨連續(xù)梁橋的豎向、橫向及縱向振動特性。

3）測點(diǎn)布置

大橋進(jìn)行振動試驗(yàn)時，將每跨均分為八等分，其測點(diǎn)布置如圖2所示，全橋橫、豎及縱向3個方向分別設(shè)6個測站，主橋分別在橫、豎、縱橋向布置了總共171個及3個參考點(diǎn)（各方向均為57個測點(diǎn)及1個參考點(diǎn)）[4]，如圖2所示。

測試橋梁處于交通干線上，其交通量大，車速快，危險性較大，因此在白天進(jìn)行。本次振動試驗(yàn)測試時橋梁振動的加速度信號由傳感器拾振，并通過放大器放大再由采集儀采集大量的加速度信號。測試儀器采用INV306智能信號自動采集處理和分析系統(tǒng)：891Ⅱ及941B型水平向、垂直向速度傳感器→INV16及IVN9多功能抗混濾波放大器→306G（LF）（32通道）數(shù)據(jù)采集儀→筆記本電腦→DASP數(shù)據(jù)處理軟件及MACEC動態(tài)數(shù)據(jù)處理軟件包[5]。3個方向的采樣頻率取為600 Hz，濾波400 Hz，采樣時間為10 min。

3預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋動力特性分析

31試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

采用MACEC軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，對測試所得的數(shù)據(jù)，得到實(shí)測的橫、縱及豎向自振頻率和振型。

311豎向自振頻率和振型

采用峰值法得到的豎向1階頻率見圖3，采用隨機(jī)子空間法得到測站的數(shù)據(jù)穩(wěn)定圖[6]，見圖4。峰值法與隨機(jī)子空間法兩種方法得到豎向頻率均列于表1。

橋梁自振振型在數(shù)據(jù)穩(wěn)定圖基礎(chǔ)上以隨機(jī)子空間方法處理數(shù)據(jù)，獲得實(shí)測的豎向1階的振型，見圖5。

312橫橋水平向自振頻率和振型

采用峰值法得到的橫向1階頻率見圖6，采用隨機(jī)子空間法得到的穩(wěn)定圖[6]，見圖7。峰值法與隨機(jī)子空間法得到豎向頻率均列于表1中。

橋梁自振振型在數(shù)據(jù)穩(wěn)定圖基礎(chǔ)上以隨機(jī)子空間方法處理數(shù)據(jù)，獲得實(shí)測的橫向1階的振型，見圖8。

313縱橋向自振頻率和振型

采用峰值法得到的縱向1階頻率見圖9，采用隨機(jī)子空間法得到測站的數(shù)據(jù)穩(wěn)定圖[6]，見圖10，峰值法與隨機(jī)子空間法兩種方法得到縱向頻率均列于表1。

橋梁自振振型在數(shù)據(jù)穩(wěn)定圖基礎(chǔ)上以隨機(jī)子空間方法處理數(shù)據(jù)，獲得實(shí)測的1階的振型，見圖11。

32有限元模型建立

橋梁分析模型以通用的MIDAS有限元分析軟件為基礎(chǔ)建立有限元模型[7]。在該有限元模型中（見圖12），根據(jù)實(shí)際位置施加約束，箱梁采用MIDAS中的粱單元，兩端橋臺施加沿橋梁縱向的彈簧約束，以模擬伸縮縫狀況。防撞護(hù)欄和橋面鋪裝層采用外加荷載處理。在橋梁橋墩位置處約束其豎向的自由度，并采用彈簧單元來模擬其橫向和縱向的約束作用[4]。4#墩承臺底部縱向固結(jié)[8]。

33計算與實(shí)測結(jié)果自振頻率比較

通過有限元計算和振動試驗(yàn)得到了大橋的基本動力特性[9]，對其結(jié)果進(jìn)行比較，頻率結(jié)果見表1。

從表1數(shù)值可以得出，PP法和SSI法得到的頻率比較一致。計算頻率和實(shí)測頻率基本吻合，但存在一定的誤差，主要原因是有限元模型的單元類型選擇、材料參數(shù)取值和邊界條件等和實(shí)際存在一定差異。

4模態(tài)保證準(zhǔn)則的計算及振型比較

計算振型與實(shí)測振型的相關(guān)性可以通過模態(tài)保證準(zhǔn)則（MAC）來計算：

MAC（φa，φe）=φTaφe2φTaφaφTeφe（1）

式中：φa與φe分別代表分析與實(shí)測模態(tài)振型向量。如果模態(tài)完全相關(guān)，則MAC=10，如果模態(tài)完全不相關(guān)，則MAC=00。MAC值越接近于1，表示計算值與實(shí)測值的模態(tài)相關(guān)性就越高[10]。測試大橋的計算與實(shí)測模態(tài)的MAC計算值見表2。

從圖5、8、11的第一跨的實(shí)測振型和有限元計算振型對比圖，計算MAC值（見表2）大部分都在85%以上（橫向振型除外），表明模態(tài)相關(guān)性高，計算振型和實(shí)測振型吻合較好。

5結(jié)語

1）具有便捷、可靠、不影響日常交通通行要求等特點(diǎn)的橋梁振動測試，可作為橋梁動力特性檢驗(yàn)測定和評估的有效手段之一;

2）振動測試能夠識別出簡支橋梁基本動力特性。測試大橋的豎向基頻為0928 Hz，橫向基頻為0895 Hz，縱向基頻為1029 Hz。

3）從振動測試結(jié)果可以看出，PP法和SSI法得到的頻率比較一致，誤差均在5%的

范圍內(nèi)。計算頻率與實(shí)測頻率基本吻合，但存在一定的誤差。主要原因是有限元模型沒有進(jìn)行進(jìn)一步的修正，有限元模型的單元類型選擇、材料參數(shù)取值和邊界條件等和實(shí)際可能存在一定的差異。

4）通過試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析和有限元計算分析，我們可以看出測試大橋的模態(tài)保證準(zhǔn)則的計算值MAC都大于80%，其中除了豎向3階和6階外，其余均大于85%，說明計算振型和實(shí)測振型基本吻合。

5）振動測試結(jié)果可以作為今后橋梁動力特性變化的參照和基礎(chǔ)，有利于橋梁健康評價和養(yǎng)護(hù)維修。參考文獻(xiàn)：

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