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第 3 7卷 , 第 3期 2 0 1 2 年 6 月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i n g Vo 1 . 3 7,No . 3 J u n. , 2 0 1 2 钢管混凝土拱桥结构动力荷载试验分析 刘武 飞 ( 湖南省交通科学研究 院 , 湖南 长沙4 1 0 0 0 0 ) [ 摘要】介绍 了某钢管混凝土拱桥动力荷载试验过程 , 并对试验数据进行分析 , 试 验结果显示试 验边跨汽车 冲击效应 十分显著 , 且与车速有 明显 的相关性 , 汽车动荷 载作用下 , 拱肋结 构的动力 响应性 能异常 , 需 引起高度重 视 , 建议采取有效 的措施对边跨主拱 圈及垫梁等部位 的开裂 情况进行定期 检查 , 希望本 工程 相关经验 能为 同类 工 程提供借鉴 。 [ 关键词 】拱 桥 ; 动力荷载试验 ; 有 限元分析 ;监测 [ 中图分类号 ]U 4 4 8 . 2 2 [ 文献标识码 ]A [ 文章编号]1 6 7 4 — 0 6 1 0 ( 2 0 1 2 ) 0 3 - 0 1 0 6 - 0 5 Dy n a mi c l o a d i n g t e s t a n a l y s i s o f o n e Co nc r e t e - fil l e d s t e e l t u b e a r c h b r i d g e LI U W nf e i ( Hu n a n C o mm u n i c a t i o n s R e a r c h I n s t i t u t e , C h a n g s h a , Hu n a n 4 1 0 0 0 ,C h i n a ) [ A b s t r a c t ]F i r s t l y s o m e c o n c r e t e fi l l e d s t e e l t u b e a r c h b r i d g e d y n a m i c l o a d i n g t e s t p r o c e s s i s i n t r o - d u e e d.An d t h e t e s t d a t a i s a n a l y s e d .Th e r e s ul t s s h o w t h a t a u t o mo b i l e s h o c k e ffe c t o f t h e t e s t i n g s i d e i s v e r y n o t a b l e,a n d i t ha s o b v i o u s e o r e l a t i o n wi t h s p e e d .Un de r a u t o mo t i v e d y n a mi c l o a di n g,t h e d y n a mi c r e s p o n s e o f t h e a r c h r i b s t r u c t u r e i s a n o ma l o u s,wh i c h n e e d s t o b e pa y mo r e a t t e n t i o n , T he c r a c k s i t u a - t i o n o f t h e s i d e s p a n ma i n a r c h r i n g a nd ma t b e a m i s a d v i s e d t o t a k e e f f e c t i v e me a s u r e s p e rio d i c a l l y.T h e r e l e v a n t e x p e r i e n c e o f t h i s e n g i n e e r i n g ma y p r o v i d e a r e f e r e n c e f o r s i mi l a r p r o j e c t s . [ K e y w o r d s ]a r c h b r i d g e ; d y n a m i c l o a d i n g t e s t ; fi n i t e e l e m e n t a n a l y s i s ; m o n i t o r i n g 1 概 述 某大桥总长 4 1 0 . 5 m, 主桥大致与河道正交 , 采 用三墩两台形式跨越沱江主河道, 由三孔 ( 1 0 0 m+ 1 4 2 . 5 6 m+1 0 0 m) 混合式连续拱 桥形成 主体 结构 ( 见图 1 ) 。主体结构中孔采用中承式钢管混凝土拱 桥 , 两边孔采用上承式钢筋混凝土箱形肋拱桥 , 三孔 拱桥横 向均采用两片拱肋 ; 立交孔采用装 配式预应 力混凝土 T梁。桥面标准全宽 3 4 m, 其组成为 : 5 m ( 人行道 )+ 2 4 m( 双向六车道)+ 5 m( 人行道 ) ; 桥 梁墩台均采用重力式结构 , 基础形式除 1 群 墩采用桩 基础外 , 其余墩 台均采用 刚性扩大基础。桥梁设计 荷载 : 城 一 A级 +人 群 荷 载 ( 3 . 5 k N / m ) 。为 了测 定 桥梁 结构 的动 力特 性 和 动 力 响应 , 评 价 桥 梁 的 动 力 特性 , 对该桥进行了相应 的动力荷载试验 , 本文则重 点探讨 1 0 0 m跨引桥的动力荷载试验 。 图 1 试验桥 梁桥 跨布 置示意图( 单位: c m ) F i g u r e 1 T e s t i n g b r i d g e s p a n s c h e ma t i c ( u n i t :c m) [ 收稿 日期]2 0 1 2 — 0 1 —1 6 [ 作者简介 】刘武飞 ( 1 9 7 8 一) , 男 , 湖南邵 阳人 , 工程师 , 主要从 事公路桥梁的设计研究工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 刘武 飞 : 钢管 混凝 土拱桥结 构动力 荷载试 验分析 1 0 7 2动 力荷载试 验 为评价桥梁 的动力性能 , 考察桥梁结构在汽车 动荷载作用下的工作状况 , 对大桥 1 0 0 m边跨进行 了动力试验 , 试验项 目包括跑车、 刹车动力 响应以及 结构动力特性测定等。 2. 1试 验 方 法 a . 动力 特 性测 定 。 结 构 动力 特 性 测 定 试 验 采 用 以下 方 法 进 行 激 励 : ① 在主跨预定位置采用跳车激振 , 即汽车后轮 越过带有坡面的三角横木 ( 高度约 1 2 c m) , 利用 车 轮落下对结构的冲击来激励桥梁振动。 ② 利用车辆通过桥梁后 的余振 。车辆在桥梁 上运行时, 结构产生受迫振动 , 车辆驶离桥面后 , 桥 梁上无外荷载作用 , 强迫振动即变成 自由振动 , 通过 测定余振信号来识别结构的动力特性。 ③ 脉动激励。在桥面无任何 交通荷载 以及桥 梁附近无其它振源的情况下 , 测定桥梁 由风荷载 、 地 脉动等随机激励而引起的微幅振动响应 。 动力特性试验采用高灵敏压电加速度计采集信 号, 由 D H5 9 3 8 / 3 7动态信号采集和分析系统进行采 集 记 录 。 b .跑车试验 采用 2台加载车在下游车道并排匀速通过桥梁 对结构进行激励。用加速度计 、 位移计 、 应变计分别 测定 控制 截 面或 部位 的振 动加 速 度 、 动 挠度 、 动应 变 响应 , 通过计算分析 , 得到结构冲击系数和应变增大 系 数 。 c .刹车 试验 。 采用 2台加载车在下游车道并排匀速行驶 , 在 指定位置紧急刹车 , 通过测定控制部位的振动加速 度、 动位移、 动应变 , 考察桥梁在车辆制动力作 用下 的 动力 响应 。刹 车 部位 为 主跨 J 8 、 J 1 0截面 和 1 0 0 m 边 跨 J 5 、 J 3截面 。 2 . 2 测点 布置 1 0 0 m边跨动力试验测点布置在下 游侧拱肋的 J 3 ( L / 4 ) 、 J 4 ( 3 L / 8 ) 和 J 5 ( L / 2 ) 截面 , 分别位置 3个 动位移测点 , 2个动应变测点和 2个振动加速度测 点 。 2 . 3试 验 工 况 针对 1 0 0 m试验边跨和主跨分别进行了 5、 1 0 、 2 0 、 3 0 、 4 0 、 5 0 k m / h的 6种车速跑车、 3 0 k m / h J 3 刹车和 3 0 k m / h J 5刹车 2个部位刹 车动力响应试 验 以及跳车和脉动测试。跑车和刹车试验主要测试 动挠度、 动应变与振动加速度 , 跳车试验和脉动测试 主要测试拱肋竖向动力特性。 2 . 4 1 0 0 m 边跨检 测 结果 ① 自振频率理论计算结果。 采用空间有 限元模型计算结构 动力 特性, 图 2 为拱肋前五阶竖向弯曲理论振型。 ( a )一阶竖向弯曲振型 ( = 2 . 6 0 8 H z) ( b )~g t l cN弯曲振型( A= 2 . 3 8 4 H z ) ( c )三阶竖向弯曲振型 ( =2 . 7 6 7H z ) ( d )四阶竖向弯曲振型( f 4 = 2 . 9 0 7 H z ) ( e ) 五阶 竖向弯 曲振型 ( f s =3 . 0 4 5H z ) 图 2拱肋前五 阶竖 向弯 曲理论振 型 F i g u r e 2 Ri b fiv e - o r d e r v e r t i c a l be nd i n g t h e o r y s h a p e s ② 动力特性实测结果 。 采用超低频高灵敏振动传感器测定主拱圈自振 以及脉动信号, 通过频谱分析得到拱肋结构的竖 向 自振频率 , 阻尼 比根据 自振信号的衰减特性计算得 到, 图 3为实测 自振或脉动信号 频谱 图。1 0 0 m边 跨拱肋结构动力特性检测结果见表 1 。 ③ 结构动力响应。 采用加 载 车在下 游 车道并 排 匀速通 过桥 梁对结 构进行激励 , 速度为 5—5 0 k m / h , 跑 车试验 均为桥 面无障碍试验。刹车试验采用加载车在下游车道并 排匀速行驶 ( 3 0 k m / h ) , 分别在 J 3 、 J 5截面紧急 制 动。试验动力响应检测结果见表 2 。 ④ 冲击系数和应变增大系数。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 0 8 公路工程 3 7卷 频率 / H z ( a ) J l O自振信号频谱图 频率 / H z ( b ) J l O 脉动信号频谱图 图 3 信号频谱 图 Fi g ur e 3 t he me a s u r e d v i br a t i o n a n d p ul s a t i o n s i g n a l~e q u e n c y s p e c t r um 表 1 1 0 0 m 边跨拱肋动力特性检测结果 Ta b l e 1 d yn a mi c r e s p o n s e o f t h e t e s t r e s u l t s 序号 振型特征 仉 序号 .振型特征 H z 仉 1 反对称 竖向弯曲2 . 5 6 6 0 . O l 1 2 . 0 6 8 1 . 2 4 4 反对称竖 向弯 曲3 . 2 6 9 — 2 . 9 0 7 1 . 1 2 2 对称 竖向弯曲 2 . 7 4 2 — 2 . 3 8 4 1 . 1 5 5 对称 竖向弯 曲 3 . 8 0 0 0 . 0 3 3 3 . 0 4 5 1 . 2 5 3 对称 竖向弯曲 3 . 0 9 6 — 2 . 7 6 7 1 . 1 2 表 2 跑车 、 刹车试验 1 0 0 m 边跨下游 拱肋 动力响应检测结果 Ta b l e 2 d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e t e s t r es u l t s 注 :挠度向下为正 , 应变受拉为正 , 实测挠 度、 应变为动挠度 、 动应变时程中的最大或最小值 。 通过对动挠度和动应变时间历程信号的分析处 理 , 得到测试部位的冲击系数和应变增大系数 , 以评 价汽车动荷载对结构的动力增大效应 。各种车速跑 车试 验 的 冲击 系 数和应 变增 大 系数 实 测 结 果 见表 3 和表 4 。 ⑤ 结构车振响应频谱图。 对跑车激励作用下测试部位 的振动加速度、 动 挠 度 、 动应变 响应 进行 频谱 分析 , 以分 析结构 振动 的 主导频 率成 分 , 图 4 、 图 5为部 分 跑车 试 验 工况 的结 构响应 频谱 图 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 刘武 飞 : 钢 管混凝土拱桥结构动力荷载试验分 析 1 O 9 表 3 跑 车试验 冲击系数检 测结果 T a b l e 3 t h e t e s t r e s u l t s 规范建议取值 0 . 1 1 注 : p 为针对正挠度区段的冲击系数检测 结果 ; 肛m 为针 对负挠 度区段 的冲击 系数检测结果 。 表 4 跑车试验应变增大 系数检 测结果 T a bl e 4 t h e t e s t r e s u l t s 规范建议取 值( 1 ) 1 . 1 1 注 : 为针对拉应变度 区段 的应变增大系数检测结果 ; 为针 对负应变 区段 的应变增大 系数检测结果。 { 昌 一 日 苫 ( a ) J 5 截 面动 挠度 ( b )J 5 截 面动应 变 ( C 1 J 5 截面 加速度 图 4 2 0 k m/ h跑车激励 J 5截面动力响应频谱 图 F i g u r 4 2 0 k m/ h s p o r t s e a r i n c e n t i v e J 5 c r o s s — s e c t i o n d y n a mi c r es p o ns e o f t h e f r e q u e nc y s p e c t r u m 图 5 J 5截面 4 0 k m/ h跑车激励动挠度响应频谱 图 F i g u r e 5 J 5 c r o s s s e c t i o n o f 4 0 k in / h s p o r t s c a r i n c e n t i v e d e fle et i o n r e s p on s e s p e c t r um i n Fi g u r e 3检测结果分 析 a .1 0 0 m边跨拱肋结 构前五 阶竖 向弯 曲 自振 频率分 别为 2 . 5 6 6 、 2 . 7 4 2 、 3 . 0 9 6 、 3 . 2 6 9和 3 . 8 0 0 H z , 均大于计算值 , 与理论计算频率之 比介于 1 . 1 2 — 1 . 2 5之 间, 表 明拱肋 结构实 际刚度 大于计算 刚 度 , 与静力试验挠度检测结果相符。拱肋一阶和五 阶竖 向振 型 的 阻 尼 比分 别 为 0 . O 1 1和 0 . 0 3 3 , 属 小 阻尼振 动 。 ,b .5— 5 0 k m/ h跑车试验 , 拱 肋 J 5截面 ( L / 2 ) 、 J 4截面( 3 L / 8 ) 、 J 3截面 ( / , / 4 ) 的实测冲击系数 ( ) 分别为 0 . 1 0~1 . 5 8 、 0 . 0 2~ 0 . 8 5和 0 . 1 1—0 . 7 4 , 均 在 2 0 k m / h时达到最大值 , 远远大于规范建议取值 ( / x = 0 . 1 1 ) , 表 明在汽车动荷载作用下 , 拱肋结构存 在十分显著的冲击 效应 , 并 与车速有十分 明显 的相 关性 。 C .5~5 0 k m / h跑 车 试 验 , 拱肋 J 5截 面 ( 2 ) 的应 变增 大 系数介 于 1 . 0 5一1 . 1 7之 间 , 4 0 k m / h时 最大 , 基本处于合理范围, 与规范建议取值( 1+ : 1 . 1 1 ) 接近 ; J 3截面 ( / 4 ) 的应变增大系数为 1 . 0 7 — 1 . 8 0 , 2 0 k m / h时最大 , 实测冲击效应远大于规范 建议取值( 1+I X=1 . 1 1 ) , 且与车速有 明显 的相关 性。 d .分析检测结果可知 , J 5截面( L / 2 ) 的冲击 系 数 与应 变增 大 系数 无 明 显 的对 应 关 系 , 表 明 结 构整 体冲击指标与局部指标在反映结构动力增大效应上 存在显著差异 , 如在 2 0 k m/ h时, 该截面的冲击系数 ( ) 为 1 . 5 8 , 而应变增大系数 ( 1+ ) 仅为 1 . 1 0 。J 3 截 面 ( L / 4 ) 的 冲击 系数 与应 变增 大系数 有 很 好 的对 应 关 系和一 致性 。 e .振 动加 速 度 与 冲击 系 数 随 车速 变 化 的趋 势 基 本相 符 , 最 大 实 测 加 速 度 峰 一 峰值 为 0 . 4 5 8 m s ~ ,与同类桥型基本相当。 f .结 构响应频谱 图可知 , 2 0 k m / h和 4 0 k m / h 0 0 0 一 、 目一 面 ∞ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 1 0 公路工程 3 7卷 车振激励作用下 , 拱肋各测试截面的振动能量集 中 在几个频率点 上 , 其 中 2 0 k m / h时 , J 5截面 的振动 能量以 3 . 8 1 1 Hz ( 五 阶自振频率) 和 3 . 0 7 8 H z ( 三阶 自振频率) 频率成分 占主导 , J 3截面的振动能量 以 2 . 4 9 2 H z ( 一 阶自振频率 ) 和 2 . 6 8 7 H z ( 二阶 自振频 率) 频率成分 占主导 ; 4 0 k m / h时 , 各测试截面的动 挠度振幅以 2 . 5 4 1 Hz 频率成分 占绝对主导。 g .根据实测结果 , 对 1 0 0 m边跨拱肋存在振动 过大 、 冲击效应显著的原因进行如下分析 : ① 拱肋前五阶竖向弯 曲振型密集 , 实测 自振频 率介于 2 . 5 6 6—3 . 8 0 0 Hz 之问 , 与载重车辆 的竖 向 激励频率( 约 2 . 5— 3 . 5 H z ) 重叠 , 这 样很容易造成 车桥耦合振动, 导致结构异常振动。 ② 跨径为 2 6 . 8 m 的拱上立柱横梁 , 在车振激 励作用下 , 其振动会对主拱产生扰动, 当横梁 自振频 率 ( 计算值为 3 . 7 3 7 H z ) 与拱肋高阶自振频率接近 , 且两者的振动相位一致时 , 会造成横梁 与拱肋的耦 合振动 , 导致拱肋振动偏大。 ③ 桥梁振动具有多因和复杂性 , 拱跨相对较小 的矢跨比也是结构冲击效应偏大的可能原因之一。 4 结语 动力试 验检 测 结果 表 明 , 该 大 桥 1 0 0 m 试 验 边 跨汽车冲击效应十分显著 , 且 与车速有明显 的相关 性 , 汽车动荷载作用下, 拱肋结构的动力响应性能异 常。过大的冲击作用一方面很大程度上削弱了结构 的实际承载能力, 另一方面也容易导致拱肋结 构的 疲劳损伤、 引发结构开裂 , 需引起高度重视。鉴 于 1 0 0 m边跨 冲击效应显著、 振动过大等原 因, 容易导 致拱肋结构的疲劳损伤、 引发结构开裂, 因此 , 采取 有效的措施对边跨主拱圈及垫梁等部位的开裂情况 进行定期检查 尤为重要。此外 , 按照桥梁养护规范 的有关规定 , 做好大桥的 日常检查和维护工作 。建 议在主跨和边跨主拱 圈设置永久变形观测点 , 并作 定期 观测 。 [ 参考文献】 [ 1 ] Y C 4 — 4 / 1 9 8 2 , 大跨径混凝土桥梁的试验方法 [ s ] . 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