公路桥梁动力特性试验分析

2021-10-14王家伟

科技创新与应用 2021年28期

王家伟

（定西交通工程试验检测有限公司，甘肃定西 743000）

在改革开放以来，国内持续发展经济，同时伴随着城市化发展进程的推进，诸多多样化的铁路、公路以及城市高架等多样化类型桥梁逐步被建设而出。不过伴随着时间的逐步推移，相关桥梁往往会出现一定的损坏问题，同时因为交通压力持续增进，所以对相关桥梁开展有针对性地检测与增固显得非常关键。而评定桥梁负荷承载能力的方法也较为多样化，其中公路桥梁动力特性试验是经常会运用到的检测方式。

某高速公路于1995年底通车，至今已通车近26年。受多种因素影响，使用后不久，高架桥主梁上部的腹部板出现不同程度的裂缝，个别部位甚至出现表面混凝土剥落、钢筋钢丝外露等现象。脉动试验用于测试三座高架桥的桥交叉结构的自振动特性，理论计算采用有限元数计算分析软件ANSYS确定结构计算模型和模态分析。通过对试验结果和理论解决方案的比较分析，得出了三座高架桥的现有质量和实际工作条件，以检验结构动能刚度是否符合设计要求，为后期桥梁加固提供依据。

1 工程概况

三座高架桥是某省国道主干线高速公路的三大桥梁，桥面分别为K131、533、K132、253、K136和293。三座高架桥的上部结构采用可变的横截面连续箱梁，如5×45m的单箱预应力混凝土结构。下部结构为钢筋混凝土薄壁外壳、钻孔和填充混凝土桩的基础。该桥按照平原微山地区公路双向双车道标准设计，单桥宽度为11×2×0.5 m，桥设计荷载：蒸汽-超越20，悬挂-120。

2 有限元计算

2.1 模型参数

本文根据等效刚度法将桥梁结构的弹性模数转换为正常运行极限状态。桥梁结构由混凝土C40制成，密度为2500kg/m3，弹性模组为43.5 GPa，泊松比例为0.2 。

2.2 单元选用

桥梁结构采用混凝土Solid45单元模拟。该单元用于构建由8个节点定义的三维固定结构，每个节点具有三个转换自由度。桥梁支撑由MPC184单元组成。该装置用刚性钢筋和刚性光束模拟空间铰链，每个铰链有2或3节，支持扭矩和大变形。

2.3 有限元模型

计算模型基于设计图纸，并使用ANSYS（一种大型通用有限元件软件）进行建模。有限元模型考虑了桥梁结构的水平弯曲、垂直弯曲、纵向变形和横向弯曲，并在桥支撑上增加了空间铰链，释放了桥的水平、垂直伸缩位移和支撑的旋转位移，模拟了支撑限制，使计算结果接近真实，图1所示为有限元模型。

图1 有限元模型演示

2.4 有限元计算结果

自振动频率和有限元模型的相应振动类型采用子空间的迭行法，计算桥梁模型的第一个第四阶自振动频率和相应的振动模式。

3 车-桥耦合振动模型的建立

3.1 车-桥耦合动力系统的分析方法

具有一定速度的车辆会在桥上产生一定的振动，桥梁本身也会产生一定的周期性振动，如果两者相互影响，就会形成桥梁耦合振动理论。因此，桥梁的振动是一个相互耦合、相互影响的过程。

3.2 车-桥耦合模型运动方程的建立

由于桥面不均匀，车辆在行驶时受到路面不平整的影响，导致车辆自振动和车辆对桥面的力，因此假设车轮与桥面保持密切接触，忽略车轮“跳跃”对桥面的影响，充分考虑桥面不平整的影响，运动协调的条件如下：

Y=y（x，t）+r（x），

其中，Y是车辆行动点的垂直位移，y（x，t）是车辆接触点桥的垂直位移，r（x）是道路不平整程度的取值范围。

3.3 车-桥耦合连续梁振动模拟分析

实际模拟某市路桥工程。这座桥的规模为73.2×82×73.2 m的混凝土箱梁桥。桥宽28m，单宽13.5 m，中间隔离区宽1m。桥梁设计负荷为公路I级。180型的伸缩接缝位于桥的两端，主梁的横截面设计为单室、单箱部分，上板为13.5 m，底板宽7m，支点宽5.2 m，由二级抛物线改变底板。为适应桥面水平排列和自重减重的特点，上翼边缘板设置为外侧横向坡度3%。每个横向跨度中支点等于主梁跨度的中间高度。箱体的外肚板为直肚板类型，厚度从箱梁体的下部到跨度中心有梯度。顶部板厚38cm。桥杆的基座是通过钻浆建造的，基础是钢筋混凝土的膨胀基座。箱梁和桥梁均由C50混凝土制成。有限元件模型由MIDA S/CIVIL悬臂梁建模助手制造，结构设计为负载容量的五分之四，全桥有127节，114个单元。

在使用MIDAS/CIVIL有限元素软件建模时，为了充分考虑模型可能与实际桥梁具有更高相似性的事实，有必要考虑桥梁结构的阻尼，并通过阅读大量国内外文献，确定该模型实现了更合适的结构阻尼。阻尼在桥梁技术中起着高耗能的作用，振动阻尼有利于桥梁的安全。阻尼的大小与桥梁耦合振动的强度直接相关，因此确定一个合适的阻尼系数对于整个计算的准确性非常重要。在建立了适当的阻尼系数后，应建立模型。

4 数值计算结果分析与比对

基于MIDAS/CIVIL对车桥耦合振动下栏杆板的垂直位移进行模拟分析。为了验证数值计算结果的准确性，通过将数字计算的准确性和有效性与上述通过现场测量计算的值进行比较来验证。并通过验证结果确定桥梁的实际运行情况和实际承载能力是否符合规范。

动态负载测试仪采用桥梁偏转探测器，仪器图像数据传输速度为300Mb/s高速面阵列，可实现两位测量，设备本身配备发动机，可自动旋转。录音方法采用动态高速记录法，每秒可达300帧，可有效动态记录结构、设备综合设计，配备大容量可充电电池，耐用电源，保证设备稳定测量，测量最大距离500m，仪器还可以绘制最大偏转、最小值、冲击因子、间隔频率和功率谱曲线。应用桥梁偏转器对桥梁不同运行条件下的试验进行分析，桥梁的动态偏转试验必须首先设定操作条件：车辆重量为30t，车速为30km/h。为了在测量时能够轻松工作，通常选择静态偏转测量点位于桥面上，而动态偏转测量点可以同时使用桥面上的静态偏转测量点进行测量。在动态负荷试验中，分别测量桥梁偏转和边跨度，由仪器提供的桥梁偏转测量软件对测量结果进行处理和分析，获得实际测量的桥梁动态偏转。

实际现场监控结果与本文中通过有限元计算机软件计算的结果相似，已建立的模型具有较高的一致性，桥梁动态负载测试较为成功。在相同的操作条件下，边向中跨度的垂直偏转呈现出逐渐增加的趋势，因为桥是一个跨度大、边跨度小于中跨度的箱形梁桥，导致在静态负载条件下，中跨度垂直位移大于边缘跨度。另一方面，平均跨度长度较大，桥梁刚度系数相对较小，导致负载影响下的垂直位移。上述比较结果表明，它是利用负载测试方法识别桥梁载荷能力的直接有效手段，也是确定桥梁承重能力的可靠方法。虽然静态试验必须在实际桥载过程中同时进行，以消除桥梁本身的静态偏转，但从动态负载测试获得的测试结果来看，只有进行动态负载测试时，其形成结果才与实际测量结果相近，但可以看出，动态负载对桥梁的影响远远大于静态负载的效果。

5 动力特性测试

5.1 脉动试验

脉动法是最常用的功率特性测量方法之一。脉动法是指在没有桥面交通负荷的情况下，地面脉冲使桥梁对结构上的小振动做出反应，这些小振动通过高度灵敏的功率测试系统测量结构的自振动频率。

5.2 高架桥的动力特性测试

上桥功率测试仪器包括超低频选择器、信号分析仪、动态数据采集和分析系统、充电电压过滤器、集成放大器等。在高架桥功率特性的测试中，为了有效测量结构的动态性能，测量点应排列在振幅大、安装方便的三个顺序的第一个振动类型中。由有限元数计算的桥梁结构振动图决定，在1SPAN3L/8和中翼展中各安装1个拾取器，以测量桥梁的垂直振动。桥梁振动信号由笔记本电脑上的数据采集器记录，DASYLab分析软件对信号的时间域和频率域进行分析，可获取测量点的振动时域曲线和自力光谱曲线，从而获得桥梁固有的振动频率。

5.3 试验结果

三座高架桥的脉动图，A桥的振动光谱信号强，一阶测得频率为3.164 Hz，二阶测量频率为3.594 Hz，三阶测量频率为4.063 Hz；B桥的振动光谱信号强，一阶测得频率为3.242 Hz，二阶测量频率为3.711 Hz，三阶测量频率为4.010 Hz；C桥的振动光谱信号较弱，一阶测得频率为2.891 Hz，二阶测量频率为3.594 Hz，三阶测量频率为4.063 Hz。

6 结果汇总及分析

有限元计算结果和测量结果的汇总，在技术设计要求中，最重要的自振动频率是低阶频率，为了了解三座高架桥的现有质量和实际工作条件，将第一个二阶自振动频率作为研究对象。

A高架桥的一、二阶频率最大，C高架桥的一、二阶频率为第二，B高架桥的一、二阶频率最少。圆形频率的计算公式表明，结构的刚度越大，自振动的频率就越大。另一方面，自振动频率越小，B高架桥的动态刚度最大，C高架桥的动态刚度第二，B高架桥的动态刚度最小。C高架桥和B高架桥的一、二阶频率均高于理论计算值，B高架桥的一阶频率低于理论计算值，二阶频率大于理论计算值。C高架桥和A高架桥的结构动能刚度大于桥梁设计要求，施工安全，不需要加固；B高架桥的横向动态刚度低于桥梁设计要求，结构对水平振动不安全，需要加固。