變截面連續(xù)箱梁動(dòng)力試驗(yàn)分析

郭東升

（遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng)110166）

1 工程概況

1.1 橋梁簡(jiǎn)介。某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋主橋?yàn)?2m+80m+52m變截面連續(xù)箱梁，位于R=1000m的圓曲線(xiàn)上，橋面凈寬10.75m。上部結(jié)構(gòu)采用單箱單室箱梁，支點(diǎn)處梁高為500cm，跨中梁高為230cm，下部結(jié)構(gòu)為薄壁式墩柱。該橋主跨斷面圖如圖1 所示。

1.2 主要技術(shù)指標(biāo)。（1）設(shè)計(jì)荷載：汽車(chē)- 超20 級(jí)，掛車(chē)-120。（2）地震烈度：本橋區(qū)內(nèi)地震基本烈度小于6 度。（3）設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100 年。（4）豎曲線(xiàn)最小半徑：凸豎曲線(xiàn)半徑4500m；凹豎曲線(xiàn)半徑3000m。（5）設(shè)計(jì)洪水頻率：1/300。（6）橋下凈高：5.2m。

圖1 試驗(yàn)橋主跨斷面圖（單位：cm）

2 結(jié)構(gòu)建模計(jì)算

根據(jù)動(dòng)載試驗(yàn)下測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)最大動(dòng)應(yīng)變和相應(yīng)的靜載作用下該測(cè)點(diǎn)的最大應(yīng)變，計(jì)算實(shí)測(cè)的活載動(dòng)力增大系數(shù)和實(shí)測(cè)活載沖擊系數(shù)。通過(guò)midas 軟件提取出橋梁沖擊系數(shù)，將實(shí)測(cè)活載沖擊系數(shù)的最大值與設(shè)計(jì)采用的沖擊系數(shù)比較對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能進(jìn)行分析。

通過(guò)midas 軟件提取出橋梁前3 階振型及頻率理論值，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，得到橋梁前3 階頻率、阻尼比實(shí)測(cè)值，通過(guò)與頻率理論值進(jìn)行對(duì)比，以判斷結(jié)構(gòu)性能?？臻g有限元模型如圖2 所示。

圖2 有限元模型

3 動(dòng)載試驗(yàn)研究

3.1 動(dòng)載試驗(yàn)原理。橋梁在移動(dòng)車(chē)輛荷載作用下產(chǎn)生振動(dòng)、沖擊等動(dòng)力反應(yīng)，此時(shí)橋梁各部位除產(chǎn)生靜態(tài)應(yīng)力和靜態(tài)變形外。還產(chǎn)生動(dòng)態(tài)應(yīng)力和動(dòng)態(tài)變形，移動(dòng)車(chē)輛荷載作用下應(yīng)力或變形的動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)率稱(chēng)為動(dòng)態(tài)增量。動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的目的是測(cè)量橋梁在移動(dòng)車(chē)輛荷載作用下的靜力、動(dòng)力和總效應(yīng)，為進(jìn)一步計(jì)算出靜力總效應(yīng)與相應(yīng)靜力效應(yīng)的比值，即動(dòng)態(tài)放大系數(shù)。本次動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)量應(yīng)力的動(dòng)態(tài)增量。應(yīng)力的動(dòng)態(tài)放大系數(shù)（1+μ）即：（1+μ）=最大動(dòng)態(tài)應(yīng)力/最大靜態(tài)應(yīng)力。

3.2 測(cè)試斷面及測(cè)點(diǎn)布置。選取4 個(gè)動(dòng)應(yīng)力測(cè)試截面，分別為第38 孔最大正彎矩A 截面，38 號(hào)墩頂附近最大負(fù)彎矩B 截面，38號(hào)墩附近最大剪力C1 截面和C2 截面。測(cè)點(diǎn)布置如圖3 所示。

3.3 測(cè)試內(nèi)容。測(cè)試加載車(chē)輛以20～60km/h 勻速駛過(guò)橋面時(shí)，A、B、C1 和C2 截面的動(dòng)應(yīng)力及應(yīng)力動(dòng)態(tài)增量。

圖3 動(dòng)應(yīng)變測(cè)試截面及測(cè)點(diǎn)布置圖

無(wú)障礙行車(chē)試驗(yàn)：在橋面無(wú)任何障礙的情況下，使一輛加載車(chē)（總重約為35t）以20～60km/h 的速度勻速駛過(guò)橋梁，測(cè)定橋梁結(jié)構(gòu)在移動(dòng)車(chē)輛荷載作用下的動(dòng)力反應(yīng)。

表1 動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容

3.4 測(cè)試與分析方法。（1）試驗(yàn)前，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。（2）各工況下，用東華DH3820 動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)采集加載車(chē)通過(guò)橋跨結(jié)構(gòu)時(shí)各動(dòng)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力時(shí)程曲線(xiàn)。（3）根據(jù)動(dòng)載試驗(yàn)下測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)最大動(dòng)應(yīng)變和相應(yīng)的靜載作用下該測(cè)點(diǎn)的最大應(yīng)變，計(jì)算實(shí)測(cè)的活載動(dòng)力增大系數(shù)和實(shí)測(cè)活載沖擊系數(shù)。（4）根據(jù)不同車(chē)速的活載沖擊系數(shù)或動(dòng)力增大系數(shù)，并求出活載沖擊系數(shù)的最大值。（5）根據(jù)實(shí)測(cè)活載沖擊系數(shù)的最大值與設(shè)計(jì)采用的沖擊系數(shù)比較對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能進(jìn)行分析。

3.5 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果分析。僅以A斷面的A-2 號(hào)得點(diǎn)為例，對(duì)跑車(chē)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，如圖4 所示。

圖4 測(cè)點(diǎn)動(dòng)應(yīng)變時(shí)程曲線(xiàn)

表2 實(shí)測(cè)應(yīng)變峰值及應(yīng)變動(dòng)態(tài)放大系數(shù)表

由表2 數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明：（1）車(chē)輛在橋面以正常速度行駛時(shí)引起的箱梁動(dòng)態(tài)應(yīng)力增量變化較小，箱梁底板縱向動(dòng)態(tài)應(yīng)力放大系數(shù)剔除異常值后的平均值為1.07，小于理論值1.1。（2）應(yīng)力動(dòng)態(tài)放大系數(shù)與行車(chē)速度無(wú)明顯關(guān)系。

4 動(dòng)力特性試驗(yàn)

4.1 測(cè)點(diǎn)布置。在橋梁各跨的跨中、四分點(diǎn)及墩頂位置布設(shè)DH動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀，將采集儀連接電腦，并使采集儀GPS貼至橋梁防撞欄桿處，與此同時(shí)，在中跨中支點(diǎn)附近布設(shè)參照點(diǎn)，參照點(diǎn)采集儀在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中位置不動(dòng)，整個(gè)動(dòng)力特性試驗(yàn)共布置13 個(gè)測(cè)點(diǎn)。

4.2 測(cè)試與分析方法。（1）試驗(yàn)前，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)、拾振傳感器等進(jìn)行調(diào)試。（2）應(yīng)用環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)法進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)試驗(yàn)。通過(guò)拾振傳感器、放大器、信號(hào)采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)拾取并記錄橋梁結(jié)構(gòu)的隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)。（3）聯(lián)合基于傅里葉變換的峰值法、隨機(jī)子空間法（SSI）以及隨機(jī)減量法進(jìn)行振動(dòng)特性參數(shù)分析。隨機(jī)減量法可以更準(zhǔn)確的識(shí)別結(jié)構(gòu)的阻尼比。

4.3 動(dòng)力特性試驗(yàn)結(jié)果與分析。橋梁理論計(jì)算前3 階振型如圖5 所示。

圖5 理論計(jì)算前三階振型圖

圖6 實(shí)測(cè)前3 階振型圖

橋梁實(shí)測(cè)前3 階振型如圖6 所示。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，得到橋梁前3 階頻率、阻尼比實(shí)測(cè)值，通過(guò)與頻率理論值進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)值與理論值相差較小，實(shí)測(cè)值略大于理論值。如表3 所示。

表3 橋梁頻率、阻尼比實(shí)測(cè)值

由表3 主橋現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)參數(shù)與理論結(jié)果比較可以看出：

（1）實(shí)測(cè)主橋豎向各階頻率略大于理論值。（2）主橋?qū)崪y(cè)前2 階振動(dòng)頻率分別為1.465 和2.734。實(shí)測(cè)阻尼比介于2.10～3.50%之間。

5 結(jié)論

（1）車(chē)輛在橋面以正常速度行駛時(shí)引起的箱梁動(dòng)態(tài)應(yīng)力增量變化較小，箱梁底板縱向動(dòng)態(tài)應(yīng)力放大系數(shù)剔除異常值后的平均值為1.07，小于理論值1.1。（2）應(yīng)力動(dòng)態(tài)放大系數(shù)與行車(chē)速度無(wú)明顯關(guān)系。（3）主橋前2 階振動(dòng)頻率分別為1.465 和2.734，前2 階振動(dòng)頻率理論值分別為1.42 和2.69，實(shí)測(cè)阻尼比介于2.10～3.50%之間。（4）頻率實(shí)測(cè)值略大于理論值，說(shuō)明結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度大于理論剛度。