波形钢腹板组合梁桥振动特性测试与分析

陈建兵，胡 洋，万 水

(1.苏州科技学院 土木工程系，江苏 苏州 215011;2.中交公路规划设计院有限公司 江苏分公司，南京 210012;3.东南大学 交通学院，南京 210096)

采用波形钢腹板代替混凝土腹板对减轻混凝土箱梁桥自重起很大作用［1］，法国、挪威、韩国、日本等国这种结构已被广泛应用［2-3］，在国内实际应用的波形钢腹板梁的优点也已初见端倪［4］。

迄今，国内对波形钢腹板混凝土组合箱梁的研究还局限于静力学特性方面，对其动力学特性研究则很少，特别是波形钢腹板组合梁桥振动特性的研究更少见报道。本文在现有研究的基础上［5］，结合我国首座波形钢腹板组合箱梁公路桥——泼河大桥的现场振动试验，采用有限元法对该桥结构进行振动特性分析，其研究结果将为波形钢腹板组合箱梁桥的振动性能研究及抗震设计提供理论依据和技术支持。

1 工程概况

泼河大桥是我国建成的首座波形钢腹板组合梁桥(图1)，位于河南光山县213省道上，桥长120 m，跨径组合4×30 m，桥宽13.0 m+2×1.5 m，设计荷载为公路—Ⅰ级，横向结构为四梁式如图2所示。腹板倾角为20°，主梁顶、底板混凝土厚为15 cm，桥面铺装层为15 cm厚的现浇混凝土和3 cm厚的沥青混凝土。施工方法为先简支后连续，于2005年7月建成。

2 实桥自振特性测试

2.1 测试仪器

图1 泼河大桥概貌

图2 泼河大桥横向组成

信号采集和分析系统采用东华测试技术公司生产的DH-5935动态信号测试分析系统，传感器为配套的DH107电压式加速度传感器，通频带为0.2～500.0 Hz，电荷灵敏度为 280 ～360 pc/ms-2。

2.2 测点布置

因连续桥梁的振动测点一般布置在振型曲线峰值较大处，本次试验测点布置是根据前期的理论分析的振型特点，选择在桥跨结构的每跨支点、1/4、1/2、3/4跨的桥面顶板上布置测点，共布置17个测点。在进行试验时，以胶泥作为耦合介质将传感器与结构面耦合，可使传感器更好地感应到结构的振动，并使得传感器连续运行更稳定、可靠，减少维护调试工作。

2.3 测试方法

试验采用跳车激励方法［6］，就是使一辆试验车于跨中截面处，后轮缓缓越过高度为15 cm左右的楔形体垫木，瞬时冲击桥面，使结构产生带有附加质量(试验车)的自由振动，跳车激励点控制在每跨的跨中截面上。

为避免产生频率叠混现象，由shannon定理可知，采样频率必须大于最大分析频率的2倍［7］。因此，本次试验的低通滤波器截止频率设置为50 Hz，采样频率设置为100 Hz。在谱分析中，采用较高的分析点数对提高频率和阻尼的分析精度都是有利的，所以，本次试验每次FFT的分析点数取为1 024点，并采用加大数据长度(N=5 096，8 192)校核谱图，证实1 024点的谱图没有漏掉重要的谱线，而保证谱分析结果的可靠性。进行1 024点谱分析数据时，依多次平均后求出谱分析结果。采用功率谱密度确定自振频率及各点振幅值大小，分析时还必须结合考虑相干函数。阻尼比采用半功率带宽法确定。

2.4 测试结果分析

振动测试采集振动数据多组。在试验数据处理时，首先通过信号采集分析系统对原始信号曲线进行分解和归并，然后提取测试的时域波形、频谱图和功率谱图，见图3所示(这里仅给出某一次测试的各跨跨中截面的测试结果)。采用互功率法经DH-5935动态信号分析软件分析得到泼河大桥桥跨结构的前3阶实测固有频率、阻尼和振型参数，见表1所示。

图3 各跨跨中截面的时域波形、频谱和功率谱

表1 实测前3阶振动参数

3 有限元法振动分析

3.1 计算模型

为了清楚了解波形钢腹板组合梁桥的振动特性，除对测试数据进行频谱分析之外，还进行了有限元分析。有限元建模时忽略了结构阻尼的影响，用solid45实体单元模拟上下翼板、体外预应力钢束、横隔板和锚垫板，用shell143壳单元模拟钢腹板。其中体外预应力钢束和锚垫板粘合在一起，锚垫板和端横隔板粘合在一起，预应力通过锚垫板加到梁上，在横隔板处，预应力钢束和横隔板的联结采用耦合。桥面铺装、防撞栏等以集中质量的形式均布施加于所作用的结构单元。

整个模型采用实体单元，在锚垫板、横隔板、体外预应力钢束和钢腹板处采用扫掠划分以减少单元数量，上顶板和下底板因截面不规则，采用自由划分，全桥共有96 650个实体单元，5 696个壳单元。

支座边界条件:约束中墩支座的X，Y，Z轴向位移和绕Y，Z轴的角位移，边墩和桥台支座约束其X，Y轴向位移和绕Y，Z轴的角位移。

3.2 有限元计算结果

采用上面的有限元模型对结构进行动力特性分析，计算得到泼河大桥成桥阶段前20阶固有频率见表2。计算振动振型比较复杂，其中前10阶就包括竖向弯曲、扭转、横向弯曲扭转等类型，见图4所示。

表2 泼河大桥前20阶计算频率

图4 前10阶振型

3.3 实测与计算结果对比

实测频率和计算频率对比如表3所示。分析表3可得以下结论:①泼河大桥前3阶自振频率实测值与计算值相接近，最大差值仅为3.79%，说明计算模型与实际结构受力一致，验证了有限元模型的合理性。②泼河大桥前3阶振型实测和计算结果吻合良好。③在采样频率为100 Hz的条件下，得到了较理想的频率范围，即3～10 Hz。④实测和计算的前3阶频率值处于规范规定的混凝土梁桥的前几阶振动固有频率1.5～6.0 Hz以内，说明泼河大桥具备较高的弯曲刚度。

表3 前3阶实测与计算频率对比

4 结论

1)采用跳车激励法可成功地进行波形钢腹板组合梁桥的振动试验;通过试验数据处理，获得实测桥梁的多阶振型及自振频率等特性，为理论研究提供数据支持;

2)联合利用solid45实体单元和shell143壳单元建立有限元动力模型进行振动模拟分析，得到的振动特性计算结果与实桥自振频率的测试值较接近，误差＜4%，相应振型出现顺序和形状吻合良好。

3)实测和计算的前3阶振型主要表现为竖向弯曲振动，实测1阶固有频率为3.81 Hz，计算1阶固有频率为3.65 Hz，皆处于规范规定的混凝土桥梁固有频率范围内，表明该类桥梁结构具有比较高的弯曲刚度。

4)我国规范对波形钢腹板的自振特性尚无明确规定，该研究结果对于波形钢腹板组合梁桥的动力分析具有一定的参考价值。

［1］吴文清.波形钢腹板组合箱梁剪力滞效应问题研究［D］.南京:东南大学，2002.

［2］胡娟.波纹钢腹板PC组合箱梁抗弯性能的理论分析［J］.铁道建筑，2009(8):8-11.

［3］刘海燕.日本修建的波形钢腹板 PC箱梁桥一览表［J］.国外桥梁，2002(1):17-18.

［4］李淑琴，陈建兵，万水，等.我国几座波形钢腹板 PC组合箱梁桥的设计与建造［J］.工程力学，2009，增(1):115-118.

［5］胡洋.装配式波形钢腹板 PC连续箱梁公路桥的有限元分析与试验研究［D］.南京:东南大学，2006.

［6］程永春，谭国金，刘寒冰，等.简支梁桥动态测试中跳车激励方法理论研究［J］.振动工程学报，2009，22(5):474-479.

［7］黄晓峰.脉冲锤击法中采样频率设置探讨［J］.常德师范学院学报(自然科学版)，2003，15(2):43-45.