某大跨徑斜拉橋自振特性研究

柳江濤，楊光哲

(1.蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 211112；2.在役長大橋梁安全與健康國家重點實驗室，江蘇 南京 211112)

自斜拉橋出現(xiàn)以來，在設(shè)計理論、施工材料、機械及施工方法等方面都有了很大的發(fā)展。斜拉橋的這些改進和發(fā)展，與斜拉橋的試驗檢測密不可分。斜拉橋試驗檢測對于推動和發(fā)展其結(jié)構(gòu)設(shè)計計算理論，解決工程實踐中出現(xiàn)的難題具有積極的重要作用。大橋自振特性試驗是大跨徑橋梁動載試驗檢測的主要試驗內(nèi)容之一，主要測試橋梁各階振動形式、固有自振頻率及阻尼值。橋梁的自有振動特性與橋梁結(jié)構(gòu)的本身剛度，結(jié)構(gòu)質(zhì)量及其分布有關(guān)，它是反映橋梁結(jié)構(gòu)整體振動狀況的量。通過對橋梁整體結(jié)構(gòu)自有振動特性的測試，可以從整體上把握橋梁結(jié)構(gòu)的運營狀況。例如，在橋梁正常運營過程中，如果經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的整體振動頻率降低，則反映橋梁結(jié)構(gòu)的整體剛度變小，橋梁結(jié)構(gòu)某部位可能存在損傷。另外如果橋梁某一階的振動頻率變化不大，但其發(fā)現(xiàn)局部振動形式發(fā)生變化，這表明橋梁可能有局部損傷并導致局部剛度退化。大跨徑斜拉橋的振動特性較一般常規(guī)橋型更為復雜，因此對此類橋型的的振動特性開展分析研究具有重要的意義。

1 工程概況

某大橋主橋全長756 m，橋梁為雙塔雙索面組合梁斜拉橋。大橋主橋跨徑布置為60.8 m+117.2 m+400 m+117.2 m+60.8 m，邊跨設(shè)置輔助墩，橋梁主橋支撐系統(tǒng)采用半漂浮體系，橋梁設(shè)計荷載：公路-I級。

橋梁主梁采用雙邊“工”字型邊主梁結(jié)合橋面板的整體斷面，兩邊主梁橫向中心距為34.5 m，全寬36.5 m，梁高3.6 m(主梁中心線處)，其中邊主梁中心線梁高2.7 m。主塔采用H型索塔，塔高167.5 m，下，中，上塔柱均采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，主塔兩側(cè)各布置17對斜拉索，整座橋上共有68對136根索。橋梁示意圖如圖1所示。

圖1 主橋平面布置圖(單位：m)

2 計算模型

斜拉橋結(jié)構(gòu)體系比較復雜，橋梁結(jié)構(gòu)動力特性分析一般包括橋梁的豎向、橫向及扭轉(zhuǎn)幾個方面的特征分析，因此必須利用空間有限元分析程序來進行分析，本橋利用橋梁結(jié)構(gòu)分析專用軟件Midas/Civil對橋梁進行結(jié)構(gòu)計算分析，將橋梁各個構(gòu)件離散不同受力特性的單元，通過不同的邊界條件進行約束連接，在動力特性分析時將自重及二期荷載均轉(zhuǎn)換為質(zhì)量。橋梁主塔及主梁結(jié)構(gòu)均采用梁單元模擬，本橋共計離散為833個梁單元；斜拉索采用桁架單元模擬，本橋共計離散為136個桁架單元；斜拉索與主塔，主塔與主梁，主梁與小縱梁間采用剛性連接，斜拉索與主梁采用共節(jié)點建立連接，主塔塔底采用固結(jié)，全部約束。

圖2 橋梁有限元模型

圖3 橋梁結(jié)構(gòu)離散圖

3 測試方法及儀器

3.1 試驗方法

對于大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)，主要采用脈動法(環(huán)境隨機振動法)測試其動力特性參數(shù)。橋梁結(jié)構(gòu)動力特性參數(shù)主要由結(jié)構(gòu)本身的具體形式、所用材料的性能等結(jié)構(gòu)所具有的固有特性所決定的，與外界荷載無關(guān)。脈動法用于在沒有任何激勵設(shè)備或裝置的情況下測量橋梁結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性，僅使用環(huán)境隨機振動源作為激發(fā)源，采用高靈敏度振動測試儀器與高分辨率分析設(shè)備分析橋梁結(jié)構(gòu)的固有自振頻率、阻尼比和振動形式。具體的測量過程如圖4所示。

3.2 試驗儀器

測試儀器由信號采集系統(tǒng)及傳感器組成，計算機通過無線傳輸控制多臺采集儀進行在線測量，其中信號采集采用INV3062型24位分布式采集儀，測試傳感器采用941B型超低頻測振儀。具體儀器的連接方式見圖5所示。

圖5 采集儀網(wǎng)絡連接示意圖

3.3 測點布置

橋梁測試點的布置應根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的振動特性進行布設(shè)，并且測量點應布設(shè)在位移大的位置，同時各階振型的節(jié)點要被盡可能避免。為了減少測試工作的量，要盡量利用結(jié)構(gòu)的對稱性。本橋在橋梁兩側(cè)的主梁頂面布置測振儀，測點縱向布置具體情況見圖6所示。

圖6 脈動試驗傳感器布置示意圖(單位：m)

4 分析原理及方法

4.1 動力性能試驗分析方法

(1)功率譜分析：功率譜分析是隨機信號處理的第一步，也稱為信號一次處理；(2)確定頻率、阻尼：由功率譜可直接讀取頻率，頻率的確定是信號二次處理所必須的工作。通過功率譜分析還可以計算阻尼比；(3)相位分析：信號的二次分析，由相位函數(shù)進行相位分析；(4)振型確定：通過自功率譜的峰值和互功率譜的相位，就能夠獲得振型曲線。

4.2 試驗結(jié)果評定

通過動力性能測試，比較橋梁結(jié)構(gòu)自振頻率的理論計算值與實際測試值，以及理論振型與實測振型的符合情況，如實際測試值大于理論計算值，則說明橋梁結(jié)構(gòu)的實際剛度較大，如實測振型與理論振型差異較大，應對橋梁結(jié)構(gòu)的實際狀況進行分析。

5 測試結(jié)果及分析

5.1 理論振型與實測振型對比

由于斜拉橋豎向及橫向剛度均不同，各階振動形式的布置順序可能會改變。對應的，斜拉橋不同振型測試點的布置也更復雜，要全面反映橋梁的振動特性，要綜合考慮各測點測試儀器的布置方向。本橋部分理論振型與實測振型如圖7～圖14所示。

圖7 理論一階豎向正對稱振型(頻率為0.356 Hz)

圖8 實測一階豎向正對稱振型(頻率為0.366 Hz)

圖9 理論五階豎向正對稱振型(頻率為0.902 Hz)

圖10 實測五階豎向正對稱振型(頻率為0.968 Hz)

圖11 理論一階扭轉(zhuǎn)振型(頻率為0.575 Hz)

圖12 實測一階扭轉(zhuǎn)振型(頻率為0.586 Hz)

圖13 理論一階橫向振型(頻率為0.574 Hz)

圖14 實測一階橫向振型(頻率為0.549 Hz)

5.2 自振頻率

橋梁的自振頻率實測值與理論計算值如表1所示。

表1 橋梁自振特性實測值與理論計算值對比表

6 結(jié) 論

(1)通過以上分析可以看出，斜拉橋的振動形式比較復雜，橫向一階振動介于豎向2階及扭轉(zhuǎn)1階之間，而扭轉(zhuǎn)的前兩階介于橫向1階及及豎向4階之間，中間還豎向3階的振動；橋梁的豎向、橫向及扭轉(zhuǎn)頻率均較小，說明斜拉橋有別于一般傳統(tǒng)橋型，橋梁剛度較小，屬于柔性結(jié)構(gòu)，另外橋梁各階之間的差值較小，說明結(jié)構(gòu)易與其他動荷載引起共振，應加強橋梁的防共振工作；

(2)橋梁豎向振動一階頻率實際測試值比理論計算值高2.8%，扭轉(zhuǎn)一階頻率實際測試值比理論計算值高1.9%，并且橫向振動頻率比理論計算值低4.4%，實測一階扭轉(zhuǎn)頻率與實測一階豎向彎曲頻率的比值為1.601，這有利于提高大橋的顫振臨界風速、同時增加橋梁抗風的穩(wěn)定性，大橋?qū)嶋H測試頻率與理論計算值基本一致；

(3)橋梁豎向第一階固有振動頻率實測值為0.366 Hz，橋梁固有振動振型階次與理論計算結(jié)果一致，實際測試頻率高于理論計算值，說明結(jié)構(gòu)剛度整體較大，滿足設(shè)計及規(guī)范要求；由于橋梁固有振動頻率是橋梁結(jié)構(gòu)的固有特性，反映結(jié)構(gòu)的整體剛度，因此該特征參數(shù)可作為今后橋梁運營養(yǎng)護的一個參考指標。