伍勇吉, 魏 凱, 龐于濤, 袁萬(wàn)城
(同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國(guó)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(guò)試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行科學(xué)研究,采用了自由振動(dòng)衰減法里的力錘激勵(lì)進(jìn)行樁基模型在不同水深工況下的動(dòng)力特性研究,同時(shí)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(duì)該模型結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響規(guī)律。
在橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)試驗(yàn)中,常采用模態(tài)識(shí)別技術(shù)進(jìn)行其動(dòng)力特性(頻率、振型、剛度、阻尼等)測(cè)試,來(lái)了解它的振動(dòng)狀態(tài)[11]。試驗(yàn)?zāi)B(tài)參數(shù)識(shí)別可分為時(shí)域模態(tài)參數(shù)識(shí)別法和頻域模態(tài)參數(shù)識(shí)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(dòng)法、環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)法和自由振動(dòng)衰減法[12~14]。其中,強(qiáng)迫振動(dòng)法也叫共振法,通常利用激振器械對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行連續(xù)正弦掃描,調(diào)節(jié)激振信號(hào)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(dòng)法是通過(guò)結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境下的振動(dòng)響應(yīng)來(lái)進(jìn)行信號(hào)處理的一種方法。而自由振動(dòng)衰減法是給結(jié)構(gòu)一個(gè)瞬態(tài)激振力(初位移或初速度等)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng),來(lái)得到該結(jié)構(gòu)的自由振動(dòng)衰減曲線,能使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生自由振動(dòng)的方法很多,如錘擊、跳車、突然釋放等,該方法操作簡(jiǎn)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(dòng)衰減力錘激勵(lì)的方法對(duì)深水橋梁群樁基礎(chǔ)考慮水影響下的動(dòng)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(gè)試驗(yàn)九樁鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁樁基模型(以下簡(jiǎn)稱“九樁模型”,縮尺比1/30)。測(cè)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(hào)采集處理分析儀、裝有INV306U智能信號(hào)分析軟件的PC機(jī)以及相應(yīng)的聯(lián)接電纜或信號(hào)線等。
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
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(zhǎng)2000 mm),其下端樁長(zhǎng)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(tái)(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
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。
動(dòng)態(tài)測(cè)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(dòng)幅值)較大的控制面處,避免將測(cè)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(dòng)力特性分析,同時(shí)測(cè)點(diǎn)在平面上布置時(shí),盡量設(shè)置在結(jié)構(gòu)各段的剛度中心處。由于試驗(yàn)時(shí)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(lì)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(cè)量點(diǎn)的選擇來(lái)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(jiǎn)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(tái)X、Y向中心處(分別為6、5點(diǎn)),承臺(tái)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(dòng)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(gè)工況來(lái)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
按第1.4節(jié)試驗(yàn)測(cè)試方法進(jìn)行操作,試驗(yàn)完成后,將收集得到的信號(hào)在裝有INV306U智能信號(hào)分析軟件的PC機(jī)上采用半功率帶寬法來(lái)進(jìn)行處理提取數(shù)據(jù),確定相應(yīng)陣型的頻率。同時(shí),應(yīng)用Adina有限元分析軟件對(duì)圖4所示九樁模型分別在十一個(gè)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(dòng)力特性,并將其相對(duì)應(yīng)的各階有限元頻率值與試驗(yàn)值分析對(duì)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(shì)基本一致,其相對(duì)誤差百分比小于5%,故本文中采用錘擊激勵(lì)的自由振動(dòng)衰減法對(duì)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(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能會(huì)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(zhǎng),頻率減小。(3)隨著水深不斷增加,水對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響也逐漸增大,周期延長(zhǎng)、頻率減小得愈快;并且當(dāng)水深在承臺(tái)頂、底面區(qū)間內(nèi)(水深150~205 cm)變化時(shí)結(jié)構(gòu)周期頻率變化尤為明顯,即水影響也越強(qiáng)。
通過(guò)對(duì)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(dòng)衰減法對(duì)深水群樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了單點(diǎn)激勵(lì)、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(dòng)態(tài)測(cè)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(dòng)幅值)較大的控制面處,避免將測(cè)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(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)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(zhǎng),頻率減??;隨著水深不斷增加,水影響也逐漸增大,周期延長(zhǎng)、頻率減小得愈快;且水深在承臺(tái)頂?shù)酌鎱^(qū)間內(nèi)變化時(shí),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(tái)、樁承受風(fēng)、流、浪、震等惡劣自然環(huán)境作用,加上地震動(dòng)、水流狀況性質(zhì)特殊,所以群樁基礎(chǔ)與水的相互作用會(huì)更為顯著,整個(gè)群樁基礎(chǔ)系統(tǒng)的振動(dòng)特性也尤為明顯,極有可能會(huì)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(guò)本文知道水深變化如何影響結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性之后,怎樣去降低深水或水深變化對(duì)樁基結(jié)構(gòu)動(dòng)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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