预应力混凝土系杆拱桥动载试验评定分析.pdf

第 3 8卷 ， 第 5 期 2 0 1 3年 1 0月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i n g Vo 1 3 8，No 5 Oc t ，2 0 1 3 预应力混凝土系杆拱桥动载试验评定分析 王 刚 ， 彭献 ( 湖南大学 机械与运载工程学 院工程力学 系， 湖南 长沙4 1 0 0 8 2 ) 摘要 为了解上海市某预应力混凝土系杆拱 桥成桥后 桥梁结构 的动力特性及结 构整体 的运营质量 ， 为该 桥 的竣工验收及 日后 的养 护管理提供技术依据 ， 特对该系杆拱 桥进 行 了现场 动力荷 载试 验 ， 对桥 梁结构 的主要控 制断面进行了多种工况荷 载作用下 的动力性能测试 ， 重点对桥 梁结构整体试 验模态进行 了测试分析 ， 同时结 合有 限元分析方 法对该桥进行 了理论分析计算。动载试 验及理论分析结果表明 ， 该系杆拱桥结构的整体 刚度 及动力性 能均能满足设计要求 ， 只要加强 日常管理养护 ， 即可获得 较好 的运 营质量 。 关键词 】系杆拱桥 ；动载试验 ；动力特性；运营管理 中图分类号 】U 4 4 8 2 2 5 文献标识码 】A 文章编号】1 6 7 4 0 6 1 0 ( 2 0 1 3 ) 0 5 0 0 3 8 0 6 An a l y s i s o f t h e Dy n a mi c a l Lo a d Te s t a n d S t r u c t u r a l Ev a l u a t i o n o f Th r o u g h Ti e d Ar c h Br i d g e W ANG Ga n g，P ENG Xi a n ( C o l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d V e h i c l e E n g i n e e r i n g， H u n a n U n i v e r s i t y ， C h a n g s h a ， H u n a n 4 1 0 0 8 2 ，C h i n a ) A b s t r a c t I n o r d e r t o g e t d y n a m i c p e rf o r ma n c e a n d o p e r a t i o n q u l i t y o f a n e w l y b u i h e d t i e d a r c h b r i d g e i n S h a ng h a i ， p r o v i de t h e t e c h ni c a l s u p p o s f o r t h e c o mp l e t i o n a c c e p t a n c e a n d ma i n t e n a n c e ma n a g e me n t i n d a y s t o c o me Th i s pa p e r i n t r o d uc e s t h e d y n a mi c l o a d t e s t a n d t h e t h e o r y a n a l y s i s o f t h i s b r i d g e， e s p e c i a l l y t h e p r o c e s s o f mo d a l t e s t Th e r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t a l l d y n a mi c p e rfo r ma n c e s a nd s t r u c t u r a l s t i f f ne s s l i v e s u p t o t h e me e t o f c o de s a n d d e s i g n， a n d g e t a g o o d o p e r a t i o n q u l i t y a s l o n g a s s t r e n g t h- e n t h e da i l y ma i n t e n a n c e Ke y wo r d s t i e d a r c h b r i d g e ； d y n a mi c l o a d t e s t ； d y n a mi c p e rf o r ma n c e ； o p e r a t i o n m a n a g e m e n t 近 年来 ， 随着公 路大 规模建设 的开 展 ， 桥 梁数量 迅 猛增 加 ， 在现 役 桥梁 中 ， 由 于使 用荷 载 等级 、 外界 环境 以及结构 自身缺陷等因素的影响 ， 使得桥梁使 用性能衰退、 结构安全与耐久性降低等一 系列问题 E t 渐突 出 ， 因而 通 过 先进 、 实 用 、 有 效 的方 法 对桥 梁 结构进 行合理 的试 验检测 与诊 断评估 成为 现役桥 梁 进行预防性养护管理以及科学维修加固的重要手段 和依据 o 桥 梁荷载 试验 是针对 桥梁结 构进 行直 接加载 测 试 的一 项特殊 的科 学 试 验工 作 ， 是 现 役 及新 建 桥 梁 结构实际承载能力及运营质量好坏最有效 、 最具说 服力 的评定 方法 。桥梁 荷载 试验按 性质可 分 为静 载 和动载试验两种。桥梁动载试验主要用于综合了解 桥梁结构 自身的动力特性以及结构抵抗强迫振动和 突发荷载作用的能力 ， 同时也可为使用阶段的结构 评估积累原始数据。桥梁动载试验主要包括脉动试 验 ( 模态 试验 ) 和强迫 振 动试 验两 部 分 内容 ， 分 别用 于测试桥梁结构的 固有振动特性 ( 固有频率 、 模 态 振型及结构阻尼比等) 和结构动力响应( 位移幅值 、 应力振 幅 、 加 速度及 动力 冲击 系数 等 ) 。 。 。 国内外 专家 学者在 桥梁结 构动力 荷载 试验方 面针对 不 同结 构类型的桥梁已经做了大量 的研究工作 ， 并取得了 许多重要成果 。 ， 但就桥梁结构模态试验测试方 法及模态参数识别原理而言， 目前 尚未形成十分完 善 的理论成 果 ， 选 择不 同 的测试 手 段 及 识 别方 法 所 得到的桥梁结构模态参数及振型往往会存在差异。 因此 ， 只有 在工 程 实践 中通过 不 断 的尝 试 和积 累才能够为桥梁结构模态参数识别理论的发展和完 善提供更多的依据。本文以一座新建预应力混凝土 系杆拱桥的现场竣工荷载试验为背景 ， 详细介 绍了 【 收稿 日期 】2 0 l 2 一l 2 一 l 7 基金项 目国家 自然科学基金 ( 1 1 0 3 2 0 0 4 A 0 2 0 2 )； 国家 自然科学基金 ( I I 1 7 2 0 9 3 A 0 2 0 2 0 2) ， ( 5 1 1 7 5 1 6 1 E 0 5 0 6 0 3 )资助 作者简介 王 刚 ( 1 9 8 7 一) ， 男 ， i U东德州人 ， 在读硕士研究生 ， 主要从事桥梁结构振动方面的研究 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 王 刚 ， 等 ： 预应力混凝土系杆拱桥动载试验评定分析 3 9 该桥动载试验的具体过程及试验成果， 并基于谱峰 值法和随机子空间法对该系杆拱进行 了结构模态振 动频率和振型识别 ， 同时结合有 限元理论分析结果 对该桥结构 的整体 刚度及动力性能进 行 了技术评 定 ， 希望能为今后同类桥梁的试验检测评估工作提 供一定 的借鉴和参考价值 。 1 工程概况 上海市某拱桥上部结构采用单跨下承式预应力 混凝土系杆拱 ， 为刚性系杆刚性拱柔性 吊杆结构 ， 系 杆长 8 8 6 m， 计算跨径 L= 8 6 0 m， 拱轴线为二次抛 物线 ， 矢跨 比为 1 5 ，矢高为 1 7 2 m。拱肋采用 变 高度矩形 钢管混凝 土截 面 ， 拱肋 截 面高度 由拱顶 2 0 m渐变至拱脚 2 5 m， 拱肋 宽度为 1 2 m； 系杆 采用等截面箱梁 ， 箱梁高 2 3 m， 宽 1 2 m； 每片拱肋 间设 有 l 5根 吊杆 ， 间距 5 0 m， 采用 O V ML Z M77 3 ( K)I 型以及 O V ML Z M7 8 5 ( K )I型吊杆 ； 两拱肋 间设 四道 K字形 风撑， 风撑采用 钢管结构， 直径为 1 0 m； 两系杆间共设有 1 7道横梁 ， 其中两端横梁高 度为 2 0 m， 中横梁高度为 1 8 m。桥面总宽为 1 8 0 m， 设计荷载等级 为： 公路 一I级 ， 人群荷载 为 3 5 k Nm 2 动载试验测试原理 2 1脉动 试验 脉 动试 验 又 称 模 态 试 验 ( E MA， E x p e r i m e n t a l Mo d a l A n a l y s i s ) ， 即模态分析 的实验过程 ， 其 主要流 程是 先利 用实 验测 得 激 励 和 响 应 的 时间 历 程 ， 运 用 数字信号处理技术求得频响函数 ( 传递 函数 ) 或脉 冲响应函数， 得到系统 的非参数模型 ； 其次 ， 运用参 数识别方法， 求得 系统模态参数。对于桥梁结构而 言 ， 传统的频域分析法是通过测定结构的频率响应 函数( F R F ) 来识 别模态参数 ， 但 由于试验所需设备 复杂 ， 且激励信号难 以实施和测定 ， 从而使得其应用 受到限制 ； 而普通的信号谱分析方法也只能得到结 构的低阶频率特性 ， 无法确定结构全部 频率成份及 阻尼特性 ， 其精度通常也不高。环境随机激振法 ， 也 称脉 动法 ， 是指 桥梁 结构 利用 外界 环境 如 自然风 、 地 壳微弱颤动等因素引起的扰动作为激振源来测定结 构动力特性的一种方法 ， 环境激振法虽然引起结构 振动的振幅极为微小 ， 但其脉动响应所包含 的频率 成份相当丰富 ， 而且该方法也不受结构 形式 和大小 的限制， 特别适用于测量结构整体的 自振特性。 利用脉动法测试桥梁结构的固有模态 ， 其测试 原理简述如下 ： 首先 ， 根据测试需要 ， 在桥梁上布置 拾振仪 ( 如加速度度 、 速度或位移传感器 ) ， 同步采 集信号 ， 将环境中的各种扰动视为输入信号 ， 大桥被 视为放大器 ， 它对输人信号中， 接近或等于其固有频 率的分量作出响应 ， 并阻尼其它分量 ； 传感器采集到 的信号被视为大桥输 出信号， 将其 变换 到频域。峰 值将对应于桥梁的固有频率。由于采用环境随机激 励测试时， 无法控制和测量输入信号 ， 为防止输入信 号中某些过大的频率分量造成伪峰， 可选取一个参 考点 ， 将各采集点的信号频率上的各点分别 除以参 考点频域上对应各点 ， 得到相对 幅值和相位差。这 样就消除了伪峰的干扰 ， 可以根据尺度化后 的频谱 上的峰值确定结构的固有频率。 随机振动信号处理的主要流程如图 1 所示。 否 信 号预处 理 设置 采样条 件 接受记录设备回放信号 功率谱分析 图形显示 l l 下一轮信号 质量判别 、 一 一 I 是 谱值存储 确 定振动 频率 、阻尼值 是 相位差计算 l I 幅值归一化 l I 相干系数计算 确 定振 型 振动参数和图形输出 结束 图 1 随机振动信号数据处理主要流程 Fi g u r e 1 Ma i n p r oc e s s o f r a n d o m v i b r a t i o n s i g n a l s d a t a pr o e e s s i n g 2 2强 迫 振 动 试 验 强迫振动是由于外界周期性的干扰力作用所 引 起的受迫振动。桥梁结构的强迫振动试验具有以下 特点 ： 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 公路工程 3 8卷 强迫振动是在外界周期性干扰力的作用下 产生的 ， 强迫振动的频率总与外界干扰力的频率相 同或成倍数关系。 强迫振动振幅的大小取决于干扰力的频率 与桥梁结构固有频率 。 的比值 w t o 。 ， 当 。 = 1时 ， 振幅达到最大值 ， 此现象称为“ 共振” 。 强迫振动振幅的大小除了与 。有关外 ， 还与干扰力、 结构 刚度及阻尼系数有关 ： 干扰力越 大 、 系统刚度和阻尼系数越小 ， 振幅越大。 强迫振动的位移变化总是 比干扰力在相位 上滞后一个相位角 ， 其值 与结构的动力特性及干 扰 力 的频率有 关 。 3动载试验测试 主要流程 3 1脉 动试验 脉动试验方法及设备如下 ： 桥梁脉动试验采用 8 9 1 一I I 型拾振仪进行测 定 ， 各拾振仪试验前均进行标定 。 拾振仪信号采用北京东方振动测试技术研 究所生产的 I N V一 3 0 6 U型动态高速数据采集仪进行 数据采集 ， 并采用 D A S P V 1 0工程版分析软件进行 数据分析与处理。 脉动试 验测 试 主要 流程 见图 2 。 图 2脉动试验测试流 程 Fi g u r e 2 Pr o c e s s o f a mb i e n t v i b r a t i o n t e s t 脉动试验测点布置分别位于系杆和拱肋的八分 点 位置 ， 见 图 3 。 3 2强迫振 动试验 强迫振动试验方法及设备如下 ： 梁体强迫振动试验采用 8 9 1 一I I 型拾振仪进 行测定 ， 各拾振仪试验前均进行标定。 梁 体 混 凝 土 动应 变 采 用 胶 基 应 变 片 和 I N V1 8 6 1 A应 变调 理器测 定 。 注 ： 0表不竖 向拾振仪 ， 0表不横 向拾振仪 。图5同 。 图 3脉动试验测点布置( 单位： c m ) F i g u r e 3 A r r a n g e m e n t o f a mb i e n t v i b r a t i o n t e s t( u n i t ： e m) 传感器信号采用北京东方振动测试技术研 究所生产的 I N V一 3 0 6 U型动态高速数据采集仪进行 数据采集 ， 并用 D A S P VI O工程版分析软件进行数 据分 析与处 理 。 各测试参数通过 D A S P V 1 0工程版软件调 试设 定 。 强迫 振动试 验测试 主要 流程见 图 4 。 8 9 1 一型 拾振仪 胶 基应变 片 I N VI 8 6 1 A应 变调理 器 高速数据采集仪 竺 ! ! 兰! 时程 曲线图 测点振幅值 冲击 系数 图 4 强 迫 振 动 试验 测试 流 程 Fi g u r e 4 Pr o c es s o f f o r c e d v i br a t i o n t e s t 强迫 振 动试 验 是 采用 一辆 试 验 载 重 车 ( 3 0 t ) ， 在靠近传感器的车道内分别以不同的车速往返通过 桥跨 。根 据采 集信号 的优 劣决定 每种 工况测 试 的次 数 ， 直 至信号 满足要求 为止 。 强 迫振动 试验测 试 内容包 括测试 截面 的振 幅和 动应变 ， 其 中振动测 点 布 置分 别 位 于 系 梁和 拱 肋 四 分点位置， 见图 5 。 图 5 强迫振动试验 测点布置 ( 单位： c m ) F i g u r e 5 A r r a n g e me n t o f f o r c e d v i b r a t i o n t e s t( u n i t ： c m) 3 3动载试 验测试 工 况 动载试验各工况下主要测试内容见表 1 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 王 刚， 等： 预应力混凝土系杆拱桥动载试验评定分析 4 3 跑车试验测试工况下实测冲击系数见表 4 。 表 4实测 冲击 系数 Ta b l e 4 Te s t i n g r e s u l t s o f i mp a c t f a c t o r s 4 3试验 结果评 定 分析 结合上述动载试验测试及理论分析结果 ， 对该 桥 结构 的动 力特性 作 如下评 定 ： 脉动试验采集到的数据时程 曲线光滑， 各测 点间的响应协调 ， 频谱分析后频率峰值 明显 ， 说明试 验采集数据正常 ， 采集数据分析结果表明 ， 结构实测 各阶频率值均大于相应理论计算频率值 ， 且 实测振 型 与理论 振 型吻合 较 好 ， 表 明该 桥 上 部 结构 实 际刚 度大于理论计算刚度 ， 满足设计和规范要求。 强迫振动各测试工况下试验测点 的振动响 应波形光顺、 协调 ， 无突变情况， 表明桥梁结构动力 响应 无异 常现 象 ； 桥 梁结 构 各 测 点 竖 向振 幅分 布 较 为 规律 ， 振 幅最大值 出现在 跳车工 况下 ， 最 大竖 向振 幅 为 0 6 0 6 mm， 说 明跳车 对桥 梁结 构存 在较 大 的冲 击作用。 在各跑车试验工况下 ， 该桥实测冲击系数最 大值为 1 1 5 ， 略大 于规范值 ， 说 明移 动车辆荷载对 桥梁结构的冲击作用明显 。 5 结 论 脉动试验及理论分析结果表明桥梁结构整 体刚度良好 ， 满足设计要求。 由于跳车现象对桥梁存在较大的冲击作用， 建议在今后的运营及养护管理过程中应尽量保持桥 面平整及桥头接坡平顺 ， 避免因坑槽等原 因引起跳 车情况的发生。 综上所述 ， 桥梁结构成桥竣工动力荷载试验 结果表明， 该系杆拱桥总体施工质量 良好 ， 结构整体 刚度及动力性能均达到设计技术要求 ， 能够满足正 常通车使用要求 ， 只要 日后加强管理与养护 ， 即可获 得良好的运营质量。 参考文献 1 骆红军 桥梁结构安全监测的动力 响应法与评估系统 J 公 路工程 ， 2 0 1 l 。 3 6 ( 3 ) ： 6 6 6 9 2 陈榕峰 ， 宋丹 ， 高鹏 公路桥 梁荷载试验综述 J 交通标 准化， 2 0 0 6 ， ( 1 0 ) ： 3 4 3 6 3 陈宝春 钢管混凝土拱桥( 第二版 ) M 北京 ： 人 民交通出版 社 ， 2 0 0 7 4 J T G D 6 2 2 0 0 4 ， 公路钢筋混凝土及预应力混凝 土桥 涵设计规 范 S 5 管国东 ， 袁 铜森 ， 陈 志 ， 等 南 昌市八一 大桥动载 试验研 究 J 公路工程 ， 2 0 1 0， 3 5 ( 2 ) ： 1 1 4一l l 7 6 冯星 横 门大桥 静动载 试验 研究 J 公路 工程 ， 2 0 1 1 ， 3 6 ( 3 ) ： 7 7 8 2 7 张秋 陵， 肖光宏 奉节长江大桥成桥荷载试验研究 J 世界桥 梁， 2 0 0 9， ( 1 ) ： 4 6 5 0 8 谢开 仲， 陈光强 ， 韦 立林 中承式钢 管混凝 土拱桥静 动载试 验 S 兰州理工大学学报 ， 2 0 0 5， 3 1 ( 6 ) ： I I I I 1 4 9 宋金 强， 朱宏平 ， 黄 民水 基于静动 载试验 的大型桥 梁健康 评 估 S 武汉工程大学学报 ， 2 0 1 0， ( 3 ) ： 5 76 0 I O L i Z h u n ， L i A i q u n ， H a n X i a o l i n O p e r a t i o n a l m o d a l i d e n t i f i c a t i o n o f s u s p e n s i o n b rid g e b a s e d o n s t r u c t u r a l h e a l t h mo n i t o rin g s y s t e m J J o u r n a l o f S o u t h e a s t U n i v e r s i t y ( E n g l i s h E d i t i o n ) ， 2 0 0 9 ， 2 5 ( 1 ) ： 1 0 41 0 7 1 1 傅志方 ， 华宏星 模态分析 理论 与应用 M 上海 ： 上海交 通 大学 出版社 ， 2 0 0 0 1 2 张笑华 ， 任伟新 ， 禹丹 江 结构模 态参数识别的随机子空 问法 S 福州大学学报 ( 自然科学版) ， 2 0 0 5， 3 3 ： 4 6 4 9 1 3 罗晓英 强迫振动法结构模态参数识别 J 公路工程 ， 2 0 1 2 。 3 7( 3)： 2 2 62 2 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m