趙海

【摘 要】通過動(dòng)力測(cè)試和有限元理論分析對(duì)役鋼筋混凝土雙曲拱橋受力性能進(jìn)行評(píng)估，是評(píng)價(jià)橋梁在動(dòng)荷載作用下承載能力的一種重要的評(píng)價(jià)手段。通過動(dòng)荷載試驗(yàn)以及結(jié)構(gòu)固有模態(tài)參數(shù)的實(shí)橋測(cè)試，了解橋跨結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，以及各控制部位在使用荷載下的動(dòng)力性能，為該橋進(jìn)一步運(yùn)營的養(yǎng)護(hù)管理提供必要的數(shù)據(jù)和資料。

【關(guān)鍵詞】動(dòng)力測(cè)試；有限元分析；雙曲拱橋；動(dòng)力特性

0 前言

橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，如固有頻率、阻尼系數(shù)和振型等，只與結(jié)構(gòu)本身的固有性質(zhì)有關(guān)，是結(jié)構(gòu)振動(dòng)系統(tǒng)的基本特征。橋梁動(dòng)載試驗(yàn)就是要從大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)信號(hào)中，了解結(jié)構(gòu)自身的動(dòng)力特性以及結(jié)構(gòu)抵抗受迫振動(dòng)和突發(fā)荷載作用的能力，綜合評(píng)價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性 及動(dòng)力響應(yīng)。揭示橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)的內(nèi)在規(guī)律，以判斷結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)，同時(shí)也為使用階段結(jié)構(gòu)評(píng)估積累原始數(shù)據(jù)。

1 工程概況

少寨大橋始建于上世紀(jì)八十年代，橋梁形式為雙曲拱橋，主跨60m，橋面寬8m，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查后得知該橋于上世紀(jì)九十年代末進(jìn)行了維修加固。由于缺少設(shè)計(jì)圖紙及資料，橋梁細(xì)部尺寸、材料特性通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方式獲得。該橋全橋長78.0m，主跨為1×60m鋼筋混凝土雙曲拱橋，矢高為7.5m，橋梁結(jié)構(gòu)矢跨比為1：8。拱肋由5片鋼筋混凝土拱肋組成，并通過橫向系梁連接，其中拱肋為“凸”字形，高約100cm，寬35cm；橫向系梁高50cm，寬35cm；立墻厚100cm，寬250cm。

橋面寬8.0m，橫向布置為0.25m（護(hù)欄）+7.5m（車行道）+0.25m（護(hù)欄），橋面鋪裝為拱頂填料+瀝青混凝土面層，其最小厚度為0.9m。

設(shè)計(jì)荷載：由于缺少必要的設(shè)計(jì)資料，通過現(xiàn)場(chǎng)走訪得知該橋修建于上世紀(jì)80年代，根據(jù)當(dāng)時(shí)我國橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTJ 021-85）推算該橋設(shè)計(jì)荷載為：汽車-20級(jí)；驗(yàn)算荷載：掛-100級(jí)。

2 動(dòng)力荷載試驗(yàn)的內(nèi)容

1）脈動(dòng)法測(cè)定橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性，包括結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型、阻尼比。

脈動(dòng)試驗(yàn)是利用橋梁在各種隨機(jī)環(huán)境激勵(lì)（包括地脈動(dòng)、風(fēng)等）下引起的振動(dòng)響應(yīng)，采集響應(yīng)信號(hào)，通過頻譜分析得到橋梁結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，比如固有頻率、振型、阻尼比，為橋梁的動(dòng)力響應(yīng)分析提供參數(shù)。

2）測(cè)定各種車速跑車時(shí)橋跨結(jié)構(gòu)的沖擊系數(shù)。

跑車試驗(yàn)是讓車輛以一定的車速從橋面駛過，引起橋梁的振動(dòng)，通過采集橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)撓度，分析橋跨結(jié)構(gòu)的動(dòng)力放大系數(shù)，從而得到?jīng)_擊系數(shù)。

3 有限元建模與分析

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)少寨大橋各構(gòu)件尺寸的實(shí)際量測(cè)，采用梁格理論對(duì)該橋建立有限元模型，其中拱肋和橫向系梁立墻采用空間桿單元模擬，橋面板及拱波采用空間厚板單元模擬，其有限元模型如圖2所示。

通過有限元計(jì)算出少寨大橋各階振型及頻率見圖3～圖5。

4 現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力測(cè)試及結(jié)果

1）試驗(yàn)設(shè)備與測(cè)點(diǎn)布置

結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試使用江蘇東華測(cè)試技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的5920動(dòng)態(tài)采集分析系統(tǒng)，其中在跨中、L/4截面處分別布置2個(gè)拾振器。

2）頻譜分析

圖6為脈動(dòng)測(cè)試信號(hào)，通過對(duì)其進(jìn)行傅里葉分析后得到結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率。結(jié)構(gòu)豎向一階頻率為4.06Hz，其頻譜分析圖見圖7，結(jié)果見表1。

結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試使用江蘇東華測(cè)試技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的5920動(dòng)態(tài)采集分析系統(tǒng)，其中在跨中、L/4截面處分別布置2個(gè)拾振器。圖8～圖11為不同車速工況下跑車時(shí)程曲線。

3）汽車動(dòng)載沖擊系數(shù)測(cè)定

結(jié)構(gòu)動(dòng)撓度采集采用北京光電技術(shù)研究所生產(chǎn)光電形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，橋梁動(dòng)撓度測(cè)試的測(cè)點(diǎn)布置在跨中截面。

動(dòng)力荷載作用于結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的動(dòng)撓度，一般較同樣的靜荷載所產(chǎn)生的相應(yīng)靜撓度要大，動(dòng)撓度與靜撓度的比值稱為活荷載的沖擊系數(shù)。由于撓度反映了橋跨結(jié)構(gòu)的整體變形，是衡量結(jié)構(gòu)剛度的主要指標(biāo)，因此活載沖擊系數(shù)綜合反映了荷載對(duì)橋梁的動(dòng)力作用。它與結(jié)構(gòu)的型式、車輛運(yùn)行速度和橋面的平整度等有關(guān)。

為了測(cè)定沖擊系數(shù)，利用所測(cè)撓度時(shí)程曲線，根據(jù)定義可得沖擊系數(shù)的大小。按沖擊系數(shù)的定義有：

沖擊系數(shù)的大小與車速、路面平整度狀況、測(cè)點(diǎn)布設(shè)位置、試驗(yàn)工況等諸多因素都有一定的關(guān)系，圖12～圖16為不同車速工況下跑車位移時(shí)程曲線，其各工況最大動(dòng)位移及沖擊系數(shù)見表3。

跑車試驗(yàn)中，在各種測(cè)試車速下最大沖擊系數(shù)1.122，理論跨中沖擊系數(shù)1.209，該橋?qū)嶋H沖擊作用較小，隨未超過理論值，但對(duì)結(jié)構(gòu)仍造成較大的沖擊，橋面系不平整是造成現(xiàn)象的主要原因；當(dāng)車速為10km/h過車時(shí)，沖擊系數(shù)僅為1.007，可見車輛慢速行駛可顯著降低對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的沖擊。

5 結(jié)論

1）理論計(jì)算豎向頻率值為3.55Hz，豎向頻率值為4.03，實(shí)測(cè)橋梁基頻大于橋梁理論頻率，說明橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際剛度大于理論剛度。

2）實(shí)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)阻尼比0.024，通常橋梁結(jié)構(gòu)的阻尼比在0.01～0.10之間，該橋結(jié)構(gòu)阻尼比正常，表明橋梁結(jié)構(gòu)傳遞振動(dòng)能力較好，橋梁整體結(jié)構(gòu)較為完好。

3）根據(jù)沖擊系數(shù)的實(shí)測(cè)值來評(píng)價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)的行車性能：當(dāng)車速小于等于10km/h時(shí)，沖擊系數(shù)僅為1.007；而當(dāng)車速大于等于10km/h時(shí)，沖擊系數(shù)顯著增大，但未超出理論沖擊系數(shù)，說明橋梁結(jié)構(gòu)的行車性能尚好。

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[責(zé)任編輯：田吉捷]