城市某人行天桥竖向自振频率测试与分析

2021-09-01余志刚安徽建工集团股份有限公司安徽合肥230001

安徽建筑 2021年8期

余志刚（安徽建工集团股份有限公司，安徽合肥 230001）

1 引言

随着城市交通功能的不断完善，为了确保行人安全、行车流畅，城市人行天桥的数量日益增多。但人行天桥的振动、晃动会引起行人的恐慌和不安全感，为保证行人的舒适性，《城市人行天桥与人行地道技术规范》（CJJ 69-1995）、《城市桥梁检测与评定技术规范》（CJJ/T 233-2015）等规范均规定了人行天桥竖向振动基频的最低限值（不小于3Hz）。另外桥梁自振频率的变化不仅能定性反映结构损伤情况，还能定性反映恒载变化、结构整体性能和受力体系的改变，同时利用仪器设备容易精确测量，用其评价桥跨结构的刚度具有一定的可靠性。

2 工程概况

该人行天桥主桥平面呈“一”形，采用简支钢桁架结构，桁架跨径为42.3m，全宽6.8m=0.25m（下弦杆）+0.15m（栏杆）+6m（人行道）+0.15m（栏杆）+0.25m（下弦杆）。主桥每端设置4根直径为60cm的钢管混凝土桥墩，桥墩上设置钢盖梁，钢管混凝土桥墩与钢盖梁固接。主桥桁架、主墩盖梁及框架、主墩钢管采用Q345qC钢，钢管混凝土桥墩采用C40无收缩混凝土，钢盖梁内灌注混凝土采用C30无收缩混凝土，桥面铺装采用C30聚合物纤维防水混凝土。该天桥在后期运营中在桁架顶部增设了玻璃顶棚，并增加了14道支撑横梁。桥梁立面布置如图1，标准横断面布置如图2所示。

图1 立面布置示意

图2 横断面布置示意

3 自振频率测试方法

3.1 测试方法

根据人行天桥的特点，测试其自振频率可采用环境随机激振法、人群跳动激振法、人群跑动激振法。

环境随机激振法：是在桥面无任何交通荷载以及桥梁附近无规则振源的情况下，测定桥跨结构，由于桥址处风荷载、地脉动、水流等随机荷载激振而引起的桥跨结构微幅振动响应。其具有不需要对桥梁进行专门激励的优点，只要有高灵敏度的测量仪器和高分辨率的谱分析设备就能测出结构的自振特性。

人群跳动激振法：是通过人群下落所产生的脉冲能量引起结构的振动，在其他指定位置拾取结构的振动响应，对结构的自振特性进行识别。为了保证行人跳动有效的激起天桥结构的振动，需要足够的人群重量。人群跳动的位置可按所测结构的振型来确定。

人群跑动激振法：人群以不同的步速进行跑动，可以检验天桥结构在动力荷载作用下的受迫振动特性。

3.2 采集方法

通过拾振传感器、放大器、信号采集系统和计算机拾取，并记录桥梁结构的振动响应。其中信号采集系统一般可采用电磁式测试系统、压电式测试系统、电阻应变式测试系统或光电式测试系统。在选择测试系统时，应注意选择测振仪器的技术指标，使传感器、放大器、记录装置组成的测试系统的灵敏度、动态范围、幅频特性和幅值范围等技术指标满足被测结构动力特性范围的要求，测试仪表精度应不大于预计测量值的10%。试验前，应对测试系统进行灵敏度、幅频特性、相频特性线性度等进行标定。

3.3 测试截面与测点布置

自振频率的测试截面需根据桥跨结构的振型特征和所需测试阶数来确定，对于该简支钢桁架结构，拾振传感器测点的布置可参照图3、图4进行。

图3 测试截面示意

图4 拾振传感器测点横向布置示意

3.4 结果分析

采用实测自振频率评价桥跨结构的刚度变化，应符合以下规定：

①在桥梁结构体系和恒载不变的情况下，宜采用既往实测自振频率的初次值作为基准频率值，当实测自振频率小于基准频率值的90%时，因分析结构刚度退化的原因。

②在桥梁结构体系或恒载发生改变的情况下，可通过实测自振频率与基准频率值的比较，分析目前结构的刚度与结构体系或恒载改变的关联程度，基准频率应采用改变前的最近一次实测自振频率值。

4 自振特性测试结果分析

4.1 自振频率计算值

根据设计资料利用Midas/civil建立该主桥空间有限元模型进行动力特性分析计算，可得到主桥一阶竖向自振频率和一阶竖向振型如图5、图6所示。

图5 主桥空间有限元模型

图6 主桥计算一阶竖向振型（f=4.01Hz）

4.2 自振频率实测值

在2016年～2020年度桥梁定期检测工作中，连续5年采用无线桥梁模态测试分析系统对该桥的一阶竖向自振频率进行采集识别，具体结果如图7、图8、表1所示。

图7 环境随机振动时域信号

图8 功率谱

通过表1可知：2016年～2017年度实测自振频率完全吻合且大于计算值，表明在结构体系和恒载不变的情况下，该时间段内桥跨结构实际刚度未发生变化，且优于理论刚度；2018年～2020年度实测自振频率完全吻合，但明显小于计算值和2016年～2017年度的实测值，表明在2018年度影响该桥自振频率的相关因素发生了变化。