既有钢管混凝土拱桥桥动力测试和有限元分析

王增新(兰新第二双线新疆公司,新疆 乌鲁木齐 730070)

1 前言

随着我国公路事业的迅速发展，我国的桥梁建设亦突飞猛进。在理论研究、设计施工技术及材料研究应用等方面都取得了快速的发展和提高，桥梁结构形式也在不断地被赋予新的内容和活力。正由于钢管混凝土、预应力技术和各种桥梁施工方法等在下承式系杆拱桥中的应用，同时由于其自身的结构特点，使该结构在国内各地得到越来越多的应用和研究[1]。

桥梁的自振特性和在竖向动荷载（车辆移动与冲击）激励下结构的响应是评价桥梁承载能力状态的一个重要因素[2]。桥梁的振动问题影响因素复杂，仅靠理论分析还不能满足工程应用的需要，需要理论分析与实际测试相结合的方法解决，桥梁动载试验就成为解决该问题必不可少的手段。

结构的动力分析主要研究结构在动荷载（如行驶车辆、风、地震荷载）作用下的力学行为，其内容主要包括确定结构的自振特性以及动力激励源作用下结构的响应。其中自振特性是动力分析的基础，是评定桥梁承载能力状态的重要参数[3]。桥梁结构的固有振动特性反映了桥梁结构的整体状态，它与桥梁结构的材料、构造、连接状况、约束条件、结构尺寸等因素密切相关；桥梁的强迫振动行为能综合反映其自身的动力特性、车辆及其运动特性、桥面铺装的平整状况等因素。通过检测桥梁的自由振动特性及在竖向动荷载（车辆移动与冲击）作用下的强迫振动反应来评价桥梁的动力性态。

2 桥梁动力测定、评价方法

1）动载试验的激振方法是动载试验必须使桥梁结构产生有效的振动，常用的有自由振动法和共振法[4]。

(1)自振法：自振法又称瞬态激振法，它是使桥梁产生有阻尼的自由衰减振动，记录到的振动图形是桥梁的衰减振动曲线。采取行车激振法(15～60kg/h)、冲击激振法或刹(跳)车激振法，使桥梁结构产生自由振动，以测取有衰减的自由振动曲线。

(2)共振法：又称强迫振动法，它是利用激振器对结构施加激振力，使结构产生强迫振动。改变激振力的频率而使结构产生共振现象，并借助共振现象来确定结构的动力特性。在桥梁的动载试验中，常采用载重车队以又低到高的不同速度驶过桥梁，使结构产生不同程度的强迫振动。在若干次运行车辆荷载试验中，当某一行驶速度产生的激振力的频率与结构的固有频率相接近时，结构便产生共振现象，此时结构的各部位的振动响应达最大。在车辆驶离桥跨以后，结构作自由衰减振动，这时可由记录的波形曲线分析得出结构的动力特性。

2）动力测定评价方法对于某一桥梁结构来讲，它的几何尺寸、材料和边界条件是确定的，那么它的结构静力特性就唯一确定了。随着桥梁的使用，其结构工作性能会发生变化，反映出来的现象是裂缝的出现和扩展、刚度降低、变形增大。同样，结构各参数一经确定，其结构动力特性也唯一地确定了，随着桥梁结构工作性能的变化，它的结构动力性能的变化表现出频率和动刚度的下降、阻尼增加、振幅加大等；因此，只要掌握了桥梁结构的动力特性及其与静力特性之间的相关关系，就可以以动力特性推断出桥梁结构的静力特性，从而获得桥梁结构全部力学特性资料，评价桥梁结构的工作状态。

3 工程实例

西宁市海湖路大桥为中承式钢管混凝土拱桥,净跨为80m，矢高20.25m.主拱圈分三段采用16MNq 钢板,内填C40 混凝土，焊接成型后拼装成整体拱，由三道钢横撑连接两侧钢拱，采用抛物线拱轴线方程，吊杆采用73φ7 高强度镀锌钢丝，纵系梁和横梁为预应力施工，采用C40 混凝土浇注。引桥采用预应力空心板梁。桥台基础为钻孔灌注桩基础。桥梁宽度为全宽32.2 米，设计荷载为双向4 车道，汽-20 挂—100，人群荷载3.5 kPa。

桥梁的自振特性和在竖向动荷载（车辆移动与冲击）激振下的动力响应是评价桥梁承载能力状态的一个重要因素。结构的动力分析主要研究结构在动荷载（如行驶车辆、风、地震荷载）作用下的力学行为，其内容主要包括确定结构的自振特性以及动力激励源作用下结构的响应。其中自振特性是动力分析的基础。结构固有振动特性反映了结构的整体状态，它与结构的材料、构造、连接状况、约束条件、结构尺寸等因素密切相关；桥梁的强迫振动行为能综合反映其自身的动力特性、车辆及其运动特性、桥面铺装的平整状况等因素。

1）动力测试截面布置原则

从结构的构造特点、外观检查和分析结果、结构试验的安全性等方面考虑，按如下原则确定动力测点位置：① 最大竖向动位移发生处；② 最大动应力发生点；③ 典型振动反应发生点；④ 便于现场试验的实施。海湖桥动力测试截面如图1所示。

图1 海湖桥动力测试截面示意图

2）结构动力测试测点布置

① 动态应变测点布置：在D-D 截面处1#、2#拱肋、F-F 截面1#、2#主梁分别布设1个动应变测点，共计4个动应变测点。

② 动位移测点布置：在D-D 截面处1#、2#拱肋、F-F 截面1#、2#主梁分别布设1个动位移测点，共计4个动位移测点。

③ 振动测点布置：在桥跨跨中截面桥面上布设3个振动器（即：D-D 截面桥面上布置1个竖向、1个顺向、1个横向振动器）、D-D 截面处1#、2#拱肋上分别布置1个横向和纵向振动器,；C-C 截面布置1个竖向、1个顺向、1个横向振动器；总计10个振动器。

3）试验检测相应的传感器位置为：

（1）脉动测试测点布置：

① 脉动试验检测竖向传感器测点布置位置为：桥梁D-D 截面；C-C 截面;

② 脉动试验检测横桥向水平传感器测点位置为：桥梁D-D 截面；C-C 截面;

③ 脉动试验检测顺桥向水平传感器测点位置为：桥梁D-D 截面；C-C 截面；

（2）跑车、跳车、刹车测点布置：

① 跑车、跳车、刹车试验检测桥梁竖向传感器测点布置位置为：桥跨D-D 截面、桥跨C-C截面；

② 跑车、跳车、刹车试验检测桥梁横向传感器测点布置位置为：桥跨D-D 截面、桥跨C-C截面；

③ 跑车、跳车、刹车试验检测桥梁顺桥向水平传感器测点位置为：桥跨D-D 截面、C-C 截面；

4）动态信号现场测试仪器及其组合形态。（如图2 所示）

图2 动态信号采集示意图

5）测试结果分析

（1）结构动力反应测试

为检测桥梁结构的动力反应性能，并使试验能安全进行，调用载重汽车（总重372kN）进行动载试验，分别进行了单车30km/h、40km/h、50km/h的匀速跑车试验、10km/h 跳车试验和30km/h 制动试验，记录了桥梁各特定测试截面的振动反应。

为检测桥梁结构的动力特性，实际检测采用10km/h 跳车的余振波形和脉动波形对桥梁结构的动力特性进行分析。

（2）结构动力特性

结构动力特性测试通过两种方式记录了结构各特定测点的动态反应信号：

①利用动态激励加载产生对结构的激振，测试结构的余振波形信号；

②采用脉动法(环境随机激振法)，在现场测试和记录各测点对大地脉动(激励源)的响应信号。通过对桥梁结构各特定测点余振波形及脉动波形的数据分析确定结构的动力特性（频率、阻尼等）；

6）有限元建模与分析

采用ANSYS 进行有限元计算。考虑到钢管混凝土拱轴的特性，即钢管混凝土拱轴是由钢管和混凝土2 种特性不同的材料构成，因此，在建立结构空间有限元模型时采用Beam188 双单元来模拟钢管混凝土拱肋；吊杆采用只受拉不受压的Link10 单元；桥面板只考虑重量，不考虑其刚度；用等效外力模拟预应力钢筋的作用；横梁与系杆连接处采用刚接；边界条件为4个支撑点铰支；共产生545个单元,514个节点。钢管混凝土拱桥有限元计算模型见图3。结构前4 阶自振特性理论计算结果如4～图7 和表1 所示所示。

图3 钢管混凝土拱桥有限元计算模型

图4 第一阶振型

图5 第二阶振型

图6 第三阶振型

图7 第四阶振型

表1 海湖路桥理论计算自振特性

7）结构动力特性测试结果

在拱桥跨中截面处的桥面和主拱肋上分别放置横向、横向和纵向传感器，测试了桥跨结构在不同车辆行进条件下的结构振动反应，通过对所记录的振动时程反应曲线的整理分析，得到结构自由振动的基本性态。动力特性测试结果如表2所示。

表2 海湖路桥动力测试结果及评价

8）结构动力反应测试结果

通过对特定测试截面动应变、动位移及强迫振动时程曲线的分析，得到载重汽车作用下结构的动力反应如表3 所示。

表3 海湖路桥动力反应测试结果

4 结论

1）通过对以上数据的分析比较，得到海湖路桥结构理论计算基频小于实测基频值，特别是竖向实测频率高于理论计算值，说明桥梁结构的实际刚度目前仍然满足要求，偏于安全。同时也说明结构梁板目前工作性能正常[5][6]。

2）根据结构的动力系数的实测值，说明桥面的平整程度正常，桥梁结构的行车性能目前还处在正常范围。

3）桥梁结构的阻尼比能够反映出桥梁结构耗散外部能量输入的能力。通过对本次实测的阻尼比的分析，说明桥梁结构耗散外部能量输入的能力仍然正常，也表明桥梁结构未发生影响使用的结构性开裂，桥梁支座部位工作状态正常。

总之，理论计算和动力试验结果相结合是桥梁动力性能分析的可靠方法。理论模态分析通过建立有限元模型可以提供桥梁结构详细的物理与模态特征。实桥动力测试可以获得桥梁真实的动力特性,理论计算与动力试验相结合可以从多方面综合考虑、分析理论上或试验中遇到的问题,两者相互校核能更全面、更客观地反映桥梁结构的动力性能。

[1]宋一凡.公路桥梁荷载试验与结构评定[M].北京:人民交通出版社,2001

[2]刘自明.桥梁工程检测手册[M].北京:人民交通出版社,2001

[3]李广馥.桥梁动力测定评价方法[J].2000(4):2

[4]《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004).[M]

[5]《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004).[M]

[6]施尚伟,舒绍云,赵剑.钢管混凝土拱桥动力试验与动力性能分析[J].公路交通技术,2008,8(4):31-35.