王力波 郝朝偉

摘? 要：為了研究鋼-混凝土組合梁橋的施工階段動(dòng)力特性，以一座實(shí)際工程為研究對(duì)象，對(duì)其施工階段動(dòng)力特性進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并采用基于環(huán)境激勵(lì)的模態(tài)參數(shù)識(shí)別理論對(duì)施工階段的動(dòng)力特性參數(shù)進(jìn)行識(shí)別，將動(dòng)力特性參數(shù)識(shí)別結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明：施工期間臨時(shí)墩支撐強(qiáng)度、混凝土澆筑質(zhì)量以及強(qiáng)度形成情況對(duì)橋梁自振頻率有較大的影響;施工階段動(dòng)力特性分析可以得出施工階段實(shí)際狀態(tài)與理論狀態(tài)偏差產(chǎn)生的原因，能夠較好地反映出鋼-混凝土組合梁橋施工階段的整體受力狀態(tài)，在保證施工階段安全、受力合理方面能夠起到一定的作用，在橋梁施工監(jiān)控中具有一定的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：橋梁工程? 鋼-混凝土組合梁? 動(dòng)力特性? 施工階段? 參數(shù)識(shí)別

中圖分類號(hào)：U446 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）11（c）-0060-02

鋼-混凝土組合梁橋是指上部結(jié)構(gòu)由鋼箱梁或鋼桁梁與混凝土橋面板間通過(guò)栓等抗剪連接件進(jìn)行連接，最終形成共同受力結(jié)構(gòu)的橋梁形式[1]。該結(jié)構(gòu)因其充分發(fā)揮鋼材與混凝土各自材料性能優(yōu)勢(shì)、對(duì)既有交通影響小、施工快捷等特點(diǎn)在我國(guó)橋梁建設(shè)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[2-3]。由于該種橋梁結(jié)構(gòu)施工方法多樣，施工期間結(jié)構(gòu)受力變化復(fù)雜，為保證施工過(guò)程結(jié)構(gòu)受力合理、安全并確保成橋狀態(tài)滿足設(shè)計(jì)要求，在其施工過(guò)程中常采取施工監(jiān)控手段[4]。

目前我國(guó)對(duì)在建橋梁施工監(jiān)控的內(nèi)容主要為內(nèi)力和線型監(jiān)測(cè)，很少采用對(duì)施工階段動(dòng)力特性進(jìn)行監(jiān)控的方式來(lái)監(jiān)測(cè)橋梁的受力情況[5]。對(duì)于鋼-混凝土組合梁橋而言，施工過(guò)程中采用的臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、混凝土的澆筑和強(qiáng)度形成以及施工荷載作用等對(duì)施工安全、結(jié)構(gòu)受力合理會(huì)產(chǎn)生較大影響，而這些因素均可通過(guò)動(dòng)力特性的監(jiān)測(cè)體現(xiàn)出來(lái)[6]。

1? 工程概況

該文以山西省一座上跨太舊高速公路的鋼-混凝土組合連續(xù)梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，該橋孔跨布置為3孔30m，橋?qū)?.5m，平面位于R=90m的圓曲線上，橋墩徑向布置。該橋上部結(jié)構(gòu)鋼-混凝土組合梁采用雙箱單室結(jié)構(gòu)，兩鋼箱梁間采用鋼橫梁進(jìn)行連接。橋面板采用C50補(bǔ)償收縮混凝土，采用栓釘將鋼箱梁與混凝土板連接成整體共同受力。

2? 有限元數(shù)值模擬分析

2.1 施工階段劃分

根據(jù)設(shè)計(jì)文件和施工方案，同時(shí)結(jié)合混凝土強(qiáng)度的形成會(huì)提高鋼-混凝土組合梁的整體剛度從而對(duì)動(dòng)力特性產(chǎn)生明顯影響的特點(diǎn)，將施工階段動(dòng)力特性分析劃分為11個(gè)工況，并建立各工況的有限元數(shù)值模型進(jìn)行動(dòng)力特性分析。

2.2 動(dòng)力特性模擬結(jié)果

根據(jù)各工況下該橋相應(yīng)的有限元數(shù)值模型對(duì)其各工況動(dòng)力特性進(jìn)行分析，得到各工況下鋼-混凝土組合梁橋的模態(tài)參數(shù)（周期、頻率等），分析結(jié)果見(jiàn)圖1。

根據(jù)以上動(dòng)力特性數(shù)值模擬結(jié)果，橋梁施工階段動(dòng)力特性能夠在一定程度上反映橋梁施工階段的受力特征，主要為以下幾點(diǎn)。

（1）受混凝土（橋面板或底板）澆筑質(zhì)量的影響，橋梁的自振周期會(huì)變大、自振頻率變小;混凝土強(qiáng)度的形成會(huì)導(dǎo)致橋梁整體剛度增大，橋梁的自振周期變小、自振頻率變大。

（2）在該橋施工全過(guò)程中，自振頻率變化最大的階段為拆除臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)前后，即結(jié)構(gòu)體系發(fā)生變化前后，一階頻率的變化幅度高達(dá)52.3%，施工期間應(yīng)保證臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定及支撐強(qiáng)度，確保受力情況滿足設(shè)計(jì)要求。

3? 動(dòng)力特性測(cè)試

3.1 振動(dòng)信號(hào)采集、處理

為得到該橋各施工階段實(shí)際狀況下的動(dòng)力特性，采用基于環(huán)境激勵(lì)的模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法[7]對(duì)橋梁的模態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)測(cè)。根據(jù)該橋施工方案并結(jié)合實(shí)際施工過(guò)程，對(duì)各工況橋梁振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集并對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑、消除趨勢(shì)項(xiàng)、數(shù)字濾波等處理以用于模態(tài)參數(shù)的識(shí)別。

3.2 模態(tài)參數(shù)識(shí)別

通過(guò)對(duì)該橋各分析工況下采集與處理的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻域分解得到施工過(guò)程中各分析工況下該橋的自功率譜進(jìn)而得到各工況的自振頻率，并將各測(cè)試工況的自振頻率識(shí)別結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比如圖2所示。

通過(guò)數(shù)值模擬分析結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析可以看出以下方面內(nèi)容。

（1）各工況自振頻率實(shí)測(cè)結(jié)果與理論分析結(jié)果總體上基本吻合，除工況1（臨時(shí)支撐體系下完成鋼箱梁架設(shè)）外，其余各工況的自振頻率實(shí)測(cè)值均大于理論分析值，表明橋梁實(shí)際剛度較理論剛度大。工況1（臨時(shí)支撐體系下完成鋼箱梁架設(shè)）下自振頻率實(shí)測(cè)值較理論分析值低的原因主要是采集振動(dòng)信號(hào)時(shí)臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)存在脫空情況。

（2）工況2至工況5階段（即拆除臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)至正彎矩區(qū)橋面板混凝土澆筑完成）的自振頻率實(shí)測(cè)值較理論值偏大，此過(guò)程中混凝土澆筑量相對(duì)較小，其產(chǎn)生的影響較小，故鋼箱梁實(shí)際剛度較數(shù)值模擬采用的剛度偏大是造成此過(guò)程頻率偏大的主要原因。

（3）工況5（正彎矩區(qū)橋面板混凝土澆筑完成）實(shí)測(cè)的自振頻率大于理論值，相對(duì)差值均大于15%，主要原因有3個(gè)方面：一是鋼梁實(shí)際剛度偏大;二是由橋面板混凝土實(shí)際質(zhì)量與理論計(jì)算采用的質(zhì)量偏小;三是振動(dòng)信號(hào)采集時(shí)混凝土形成一定的強(qiáng)度導(dǎo)致剛度增大。

（4）工況6（正彎矩區(qū)橋面板混凝土強(qiáng)度形成階段）的自振頻率實(shí)測(cè)值大于理論值，偏差介于0.3%～2.3%，呈現(xiàn)出橋梁實(shí)際狀態(tài)與理論分析狀態(tài)較為接近的現(xiàn)象。若將工況5引起的自振頻率偏差（16.0%～20.9%）引入到此工況中來(lái)，可推斷橋梁的實(shí)際剛度存在小于理論分析值的可能，表現(xiàn)出的橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)為混凝土強(qiáng)度未達(dá)到要求。

4? 結(jié)語(yǔ)

該文以實(shí)際工程為背景，通過(guò)有限元數(shù)值模擬和采用基于環(huán)境激勵(lì)的模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法對(duì)一座鋼-混凝土組合梁橋?qū)嶋H工程的施工階段動(dòng)力特性進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論。

（1）施工期間臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)、澆筑混凝土的質(zhì)量以及混凝土強(qiáng)度形成情況對(duì)鋼-混凝土組合梁橋自振頻率有較大的影響，可利用其影響規(guī)律進(jìn)行施工狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。

（2）通過(guò)鋼-混凝土組合梁橋施工階段動(dòng)力特性分析（基于環(huán)境激勵(lì)法的模態(tài)參數(shù)識(shí)別結(jié)果與理論分析結(jié)果的對(duì)比分析）可以得出鋼-混凝土組合梁橋施工階段實(shí)際狀態(tài)與理論設(shè)計(jì)狀態(tài)偏差產(chǎn)生的原因。

（3）施工階段動(dòng)力特性分析在一定程度上能夠反映出鋼-混凝土組合梁橋施工階段的整體受力狀況，同時(shí)該方法具有操作簡(jiǎn)單、快捷的特點(diǎn)，可作為橋梁施工監(jiān)控的一項(xiàng)內(nèi)容，為橋梁施工階段安全、受力合理等方面提供技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)

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