柳江濤,楊光哲
(1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司,江蘇 南京 211112;2.在役長(zhǎng)大橋梁安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 211112)
自斜拉橋出現(xiàn)以來,在設(shè)計(jì)理論、施工材料、機(jī)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(jìn)和發(fā)展,與斜拉橋的試驗(yàn)檢測(cè)密不可分。斜拉橋試驗(yàn)檢測(cè)對(duì)于推動(dòng)和發(fā)展其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算理論,解決工程實(shí)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(yàn)是大跨徑橋梁動(dòng)載試驗(yàn)檢測(cè)的主要試驗(yàn)內(nèi)容之一,主要測(cè)試橋梁各階振動(dòng)形式、固有自振頻率及阻尼值。橋梁的自有振動(dòng)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(dòng)狀況的量。通過對(duì)橋梁整體結(jié)構(gòu)自有振動(dòng)特性的測(cè)試,可以從整體上把握橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)營狀況。例如,在橋梁正常運(yùn)營過程中,如果經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的整體振動(dòng)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(dòng)頻率變化不大,但其發(fā)現(xiàn)局部振動(dòng)形式發(fā)生變化,這表明橋梁可能有局部損傷并導(dǎo)致局部剛度退化。大跨徑斜拉橋的振動(dòng)特性較一般常規(guī)橋型更為復(fù)雜,因此對(duì)此類橋型的的振動(dòng)特性開展分析研究具有重要的意義。
某大橋主橋全長(zhǎng)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(jì)荷載:公路-I級(jí)。
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(duì)斜拉索,整座橋上共有68對(duì)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)
斜拉橋結(jié)構(gòu)體系比較復(fù)雜,橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析一般包括橋梁的豎向、橫向及扭轉(zhuǎn)幾個(gè)方面的特征分析,因此必須利用空間有限元分析程序來進(jìn)行分析,本橋利用橋梁結(jié)構(gòu)分析專用軟件Midas/Civil對(duì)橋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析,將橋梁各個(gè)構(gòu)件離散不同受力特性的單元,通過不同的邊界條件進(jìn)行約束連接,在動(dòng)力特性分析時(shí)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?jiǎn)卧M,本橋共計(jì)離散為833個(gè)梁?jiǎn)卧?;斜拉索采用桁架單元模擬,本橋共計(jì)離散為136個(gè)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(diǎn)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
對(duì)于大跨徑橋梁結(jié)構(gòu),主要采用脈動(dòng)法(環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)法)測(cè)試其動(dòng)力特性參數(shù)。橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)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(dòng)法用于在沒有任何激勵(lì)設(shè)備或裝置的情況下測(cè)量橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性,僅使用環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)源作為激發(fā)源,采用高靈敏度振動(dòng)測(cè)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(dòng)形式。具體的測(cè)量過程如圖4所示。
測(cè)試儀器由信號(hào)采集系統(tǒng)及傳感器組成,計(jì)算機(jī)通過無線傳輸控制多臺(tái)采集儀進(jìn)行在線測(cè)量,其中信號(hào)采集采用INV3062型24位分布式采集儀,測(cè)試傳感器采用941B型超低頻測(cè)振儀。具體儀器的連接方式見圖5所示。
圖5 采集儀網(wǎng)絡(luò)連接示意圖
橋梁測(cè)試點(diǎn)的布置應(yīng)根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性進(jìn)行布設(shè),并且測(cè)量點(diǎn)應(yīng)布設(shè)在位移大的位置,同時(shí)各階振型的節(jié)點(diǎn)要被盡可能避免。為了減少測(cè)試工作的量,要盡量利用結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性。本橋在橋梁兩側(cè)的主梁頂面布置測(cè)振儀,測(cè)點(diǎn)縱向布置具體情況見圖6所示。
圖6 脈動(dòng)試驗(yàn)傳感器布置示意圖(單位:m)
(1)功率譜分析:功率譜分析是隨機(jī)信號(hào)處理的第一步,也稱為信號(hào)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(hào)二次處理所必須的工作。通過功率譜分析還可以計(jì)算阻尼比;(3)相位分析:信號(hào)的二次分析,由相位函數(shù)進(jìn)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。
通過動(dòng)力性能測(cè)試,比較橋梁結(jié)構(gòu)自振頻率的理論計(jì)算值與實(shí)際測(cè)試值,以及理論振型與實(shí)測(cè)振型的符合情況,如實(shí)際測(cè)試值大于理論計(jì)算值,則說明橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際剛度較大,如實(shí)測(cè)振型與理論振型差異較大,應(yīng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀況進(jìn)行分析。
由于斜拉橋豎向及橫向剛度均不同,各階振動(dòng)形式的布置順序可能會(huì)改變。對(duì)應(yīng)的,斜拉橋不同振型測(cè)試點(diǎn)的布置也更復(fù)雜,要全面反映橋梁的振動(dòng)特性,要綜合考慮各測(cè)點(diǎn)測(cè)試儀器的布置方向。本橋部分理論振型與實(shí)測(cè)振型如圖7~圖14所示。
圖7 理論一階豎向正對(duì)稱振型(頻率為0.356 Hz)
圖8 實(shí)測(cè)一階豎向正對(duì)稱振型(頻率為0.366 Hz)
圖9 理論五階豎向正對(duì)稱振型(頻率為0.902 Hz)
圖10 實(shí)測(cè)五階豎向正對(duì)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(shí)測(cè)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(shí)測(cè)一階橫向振型(頻率為0.549 Hz)
橋梁的自振頻率實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值如表1所示。
表1 橋梁自振特性實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值對(duì)比表
(1)通過以上分析可以看出,斜拉橋的振動(dòng)形式比較復(fù)雜,橫向一階振動(dòng)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(dòng);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(dòng)荷載引起共振,應(yīng)加強(qiáng)橋梁的防共振工作;
(2)橋梁豎向振動(dòng)一階頻率實(shí)際測(cè)試值比理論計(jì)算值高2.8%,扭轉(zhuǎn)一階頻率實(shí)際測(cè)試值比理論計(jì)算值高1.9%,并且橫向振動(dòng)頻率比理論計(jì)算值低4.4%,實(shí)測(cè)一階扭轉(zhuǎn)頻率與實(shí)測(cè)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(fēng)速、同時(shí)增加橋梁抗風(fēng)的穩(wěn)定性,大橋?qū)嶋H測(cè)試頻率與理論計(jì)算值基本一致;
(3)橋梁豎向第一階固有振動(dòng)頻率實(shí)測(cè)值為0.366 Hz,橋梁固有振動(dòng)振型階次與理論計(jì)算結(jié)果一致,實(shí)際測(cè)試頻率高于理論計(jì)算值,說明結(jié)構(gòu)剛度整體較大,滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求;由于橋梁固有振動(dòng)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(yùn)營養(yǎng)護(hù)的一個(gè)參考指標(biāo)。