变截面连续箱梁动力试验分析

郭东升

（辽宁省交通规划设计院有限责任公司，辽宁 沈阳110166）

1 工程概况

1.1 桥梁简介。某预应力混凝土连续梁桥主桥为52m+80m+52m变截面连续箱梁，位于R=1000m的圆曲线上，桥面净宽10.75m。上部结构采用单箱单室箱梁，支点处梁高为500cm，跨中梁高为230cm，下部结构为薄壁式墩柱。该桥主跨断面图如图1 所示。

1.2 主要技术指标。（1）设计荷载：汽车- 超20 级，挂车-120。（2）地震烈度：本桥区内地震基本烈度小于6 度。（3）设计基准期：100 年。（4）竖曲线最小半径：凸竖曲线半径4500m；凹竖曲线半径3000m。（5）设计洪水频率：1/300。（6）桥下净高：5.2m。

图1 试验桥主跨断面图（单位：cm）

2 结构建模计算

根据动载试验下测点实测最大动应变和相应的静载作用下该测点的最大应变，计算实测的活载动力增大系数和实测活载冲击系数。通过midas 软件提取出桥梁冲击系数，将实测活载冲击系数的最大值与设计采用的冲击系数比较对结构动力性能进行分析。

通过midas 软件提取出桥梁前3 阶振型及频率理论值，通过现场测试，得到桥梁前3 阶频率、阻尼比实测值，通过与频率理论值进行对比，以判断结构性能。空间有限元模型如图2 所示。

图2 有限元模型

3 动载试验研究

3.1 动载试验原理。桥梁在移动车辆荷载作用下产生振动、冲击等动力反应，此时桥梁各部位除产生静态应力和静态变形外。还产生动态应力和动态变形，移动车辆荷载作用下应力或变形的动态增长率称为动态增量。动态试验的目的是测量桥梁在移动车辆荷载作用下的静力、动力和总效应，为进一步计算出静力总效应与相应静力效应的比值，即动态放大系数。本次动载试验测量应力的动态增量。应力的动态放大系数（1+μ）即：（1+μ）=最大动态应力/最大静态应力。

3.2 测试断面及测点布置。选取4 个动应力测试截面，分别为第38 孔最大正弯矩A 截面，38 号墩顶附近最大负弯矩B 截面，38号墩附近最大剪力C1 截面和C2 截面。测点布置如图3 所示。

3.3 测试内容。测试加载车辆以20～60km/h 匀速驶过桥面时，A、B、C1 和C2 截面的动应力及应力动态增量。

图3 动应变测试截面及测点布置图

无障碍行车试验：在桥面无任何障碍的情况下，使一辆加载车（总重约为35t）以20～60km/h 的速度匀速驶过桥梁，测定桥梁结构在移动车辆荷载作用下的动力反应。

表1 动载试验测试内容

3.4 测试与分析方法。（1）试验前，对系统进行调试。（2）各工况下，用东华DH3820 动态应变测试系统采集加载车通过桥跨结构时各动应变测点的应力时程曲线。（3）根据动载试验下测点实测最大动应变和相应的静载作用下该测点的最大应变，计算实测的活载动力增大系数和实测活载冲击系数。（4）根据不同车速的活载冲击系数或动力增大系数，并求出活载冲击系数的最大值。（5）根据实测活载冲击系数的最大值与设计采用的冲击系数比较对结构动力性能进行分析。

3.5 动载试验结果分析。仅以A断面的A-2 号得点为例，对跑车试验结果进行分析，如图4 所示。

图4 测点动应变时程曲线

表2 实测应变峰值及应变动态放大系数表

由表2 数据分析结果表明：（1）车辆在桥面以正常速度行驶时引起的箱梁动态应力增量变化较小，箱梁底板纵向动态应力放大系数剔除异常值后的平均值为1.07，小于理论值1.1。（2）应力动态放大系数与行车速度无明显关系。

4 动力特性试验

4.1 测点布置。在桥梁各跨的跨中、四分点及墩顶位置布设DH动态信号采集仪，将采集仪连接电脑，并使采集仪GPS贴至桥梁防撞栏杆处，与此同时，在中跨中支点附近布设参照点，参照点采集仪在整个试验过程中位置不动，整个动力特性试验共布置13 个测点。

4.2 测试与分析方法。（1）试验前，对测试系统、拾振传感器等进行调试。（2）应用环境随机振动法进行桥梁结构振动试验。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随机振动响应。（3）联合基于傅里叶变换的峰值法、随机子空间法（SSI）以及随机减量法进行振动特性参数分析。随机减量法可以更准确的识别结构的阻尼比。

4.3 动力特性试验结果与分析。桥梁理论计算前3 阶振型如图5 所示。

图5 理论计算前三阶振型图

图6 实测前3 阶振型图

桥梁实测前3 阶振型如图6 所示。通过现场测试，得到桥梁前3 阶频率、阻尼比实测值，通过与频率理论值进行对比，发现实测值与理论值相差较小，实测值略大于理论值。如表3 所示。

表3 桥梁频率、阻尼比实测值

由表3 主桥现场实测参数与理论结果比较可以看出：

（1）实测主桥竖向各阶频率略大于理论值。（2）主桥实测前2 阶振动频率分别为1.465 和2.734。实测阻尼比介于2.10～3.50%之间。

5 结论

（1）车辆在桥面以正常速度行驶时引起的箱梁动态应力增量变化较小，箱梁底板纵向动态应力放大系数剔除异常值后的平均值为1.07，小于理论值1.1。（2）应力动态放大系数与行车速度无明显关系。（3）主桥前2 阶振动频率分别为1.465 和2.734，前2 阶振动频率理论值分别为1.42 和2.69，实测阻尼比介于2.10～3.50%之间。（4）频率实测值略大于理论值，说明结构实际刚度大于理论刚度。