某独塔双索面预应力混凝土斜拉桥动力特性测试及舒适度研究.pdf

作者简介陈怡刚()男高级工程师主要研究方向:路桥施工某独塔双索面预应力混凝土斜拉桥动力特性测试及舒适度研究陈怡刚 骆 俊(江西省交通工程集团有限公司 南昌)摘 要:以某独塔双索面预应力混凝土斜拉桥为对象研究其动力特性及舒适度 首先利用试验车辆对桥梁结构施以动力荷载进行强迫振动试验获得结构振动的振幅、动应变、动挠度及冲击系数再结合脉动试验用子空间法识别桥梁振动的频率、阻尼比最后基于 指标 值及 指标进一步研究该梁桥的动力舒适度测试与研究结果表明:测试荷载作用下该桥动应变值很小在 /范围内试验桥跨各试验工况下的实测冲击系数都稍大于设计规范建议值.实测冲击系数值在.范围内说明试验桥跨行车性能良好、桥面平顺度基本满足设计的行车性能要求结构实测振动频率值与设计理论值的比值范围在.之间实测阻尼比范围在.之间表明主桥结构实际刚度达到了理论预期水平狄克曼指标 值及斯佩林指标 均较小表明主桥在一般行车条件下的动力舒适性能较好关键词:独塔双索面斜拉桥冲击系数舒适度 (.):./.:青海交通科技 第 期 引言混凝土桥梁结构的力学性能与材料的弹性模量、混凝土收缩徐变、温度变化等随机性因素有关随机因素的作用通常使得新建桥梁的运营性能与预期设计效果存在差异 准确分析评定新建桥梁结构的工作状态和受力性能可以为桥梁竣工验收、运营监控、养护、加固维修等提供依据 值得注意的是不同桥型桥梁结构由于舒适度评价的对象不同其舒适度评价的方法也存在一定差异 对于以车辆活载为主要荷载的桥梁结构舒适性评价以行车舒适性评价为主导 当车辆荷载以一定速度通过桥梁时会引起结构振动从而造成结构的内力和变形比相同静力荷载作用时要大 这种动力反应是桥梁结构和车辆这两个振动系统相互作用的结果它除与这两个系统自身的动力特性有关外还与桥面平整度及车辆运行状况等因素有关为了准确判定动载作用下结构的工作性能发现可能存在的结构病害 本文以某独塔双索面预应力混凝土斜拉桥为背景通过开展一系列的荷载试验综合分析该桥的基本动力特性并以此为基础进行舒适度评价研究成果可为类似工程提供参考 工程概况某独塔双索面预应力混凝土斜拉桥结构主桥跨径布置为 主桥长 桥面宽 主桥索塔采用曲线型纵、横桥向的顺、倒 字组合型纵横向为对称结构由上塔柱(包括上、中塔柱连接段)、中塔柱(包括中、下塔柱连接段)、下横梁、下塔柱等组成主塔主要采用 混凝土引桥采用双幅式组合结构单幅主梁采用单箱单室斜腹板箱形梁引桥主体结构混凝土为 道路等级为城市主干道级双向 车道设计荷载为城市 级 荷载试验方案.试验测点布置为便于新建桥梁的验收及在役桥梁的健康状态评定我国制定了桥梁荷载试验的相关规程 参考规范相关规定确定该桥强迫振动试验及主桥脉动试验的测点布置如下:()强迫振动试验(跑车、刹车)测点布置:在主桥下游侧桥面边跨跨中、中跨 等分点各布置 个竖向拾振器在中跨 截面下游布置 个动挠度测点在中跨 截面下游纵梁下缘布置 个动应变测点如图 所示()主桥脉动测点布置:在主梁中跨 分点、边跨跨中下游各布置 个竖向拾振器如图 所示图 主桥强迫振动试验测点布置示意图 第 期青海交通科技图 主桥脉动试验测点布置示意图.强迫试验及脉动试验工况在风荷载和车辆荷载等随机荷载作用下桥梁结构会随之发生振动其动力响应凝聚了结构的各种参数信息桥梁结构的各阶频率及相应的阻尼比可基于脉动试验采集到的桥梁动力响应数据利用随机子空间理论分析求解得到桥梁结构各阶频率及相应的模态阻尼比 强迫振动试验是采集在动力荷载作用下桥梁的动力响应然后通过分析测得的动力响应数据获得桥梁的相应动力参数 该桥动载试验包括跑车试验、刹车试验和脉动试验 种工况()跑车试验在桥面无任何障碍的情况下采用 辆载重汽车分别以/、/、/、/、/匀速并排通过桥梁测定试验桥跨结构在跑车车辆荷载作用下的动力响应()刹车试验分别采用 辆载重汽车以/在试验桥跨的/截面处立即刹车测定试验桥跨结构在刹车车辆荷载作用下的动力响应()脉动试验测量桥梁结构固有振动(自振频率、振型、阻尼比)试验结果分析.振动响应分析跑车及刹车试验各工况下主桥中跨.截面(截面)处的实测动挠度峰值、中跨.截面(截面)处的动应变峰值及中跨/截面处的振动幅值如表 所示表 各试验工况下的实测振动幅值试验工况实测动挠度峰值/实测动应变峰值/实测振动幅值/中跨.截面(截面)中跨.截面(截面)中跨/截面/跑车./跑车./跑车./跑车./跑车./刹车.由表 可知在跑车试验过程中车速与主桥中跨/截面处的振动幅值整体上呈现正相关关系青海交通科技 第 期随着车速增大主桥中跨/截面处的振动幅值总体呈增大趋势相同时速下刹车试验时振动幅值比跑车试验时大.冲击系数分析当车辆以一定速度通过桥跨或以一定的速度越障时将引起桥梁的振动从而使桥梁结构在静应力的基础上承受较大的动应力及动挠度 这种动荷载对应力和挠度增大的影响通常采用冲击系数来衡量 冲击系数的大小综合反映了桥跨结构的动力性能、桥面平整度及运行车辆的动力特性、车速等因素的影响 因此冲击系数往往成为确定车辆载荷对桥梁动力作用的重要参数动载试验冲击系数计算采用桥梁无障碍行车下的动挠度或动应变时程曲线进行计算 冲击系数计算公式如公式():()()式中:最大动挠度(动应变)幅值 取波形振幅中心轨迹的顶点值或通过低通滤波求取 与 对应的动挠度(动应变)波谷值 挠度(应变)动态分量的峰 峰值各试验工况下的实测冲击系数见表 表 各试验工况下的实测冲击系数工况动挠度冲击系数动应变冲击系数/跑车./跑车./跑车./跑车./跑车./刹车.从表 可知各试验工况下主桥实测冲击系数在.范围内依据公路桥涵设计通用规范()该桥设计规范冲击系数为.可见刹车时冲击系数稍大于设计规范建议值说明试验跨行车性能及桥面平顺度基本满足正常行车性能要求.自振特性分析试验采用强迫振动、脉动试验测量桥梁结构的相关振动参数主桥前 阶频率的理论值、实测值及相应的模态阻尼比见表 表 各阶实测振动频率与对应理论值阶次振型主梁竖向一阶反对称弯曲主梁竖向一阶正对称弯曲主梁竖向二阶反对称弯曲主梁竖向二阶正对称弯曲主梁一阶扭转实测频率值/.理论频率值/.实测频率值/.理论值/.从表 可知主桥前 阶实测振动频率与对应理论值的比值在.范围内主桥实测各阶振动振型与理论计算值吻合较好说明桥梁实际刚度达到理论预期桥梁结构各阶振动频率的实测阻尼比为.均在正常范围内说明结构处于小阻尼振动状态.行车舒适度评价车桥耦合振动会对人体产生心理和生理效应引发司机、乘客及行人的不舒适和不安全感但目前对此学界还没有统一的舒适度指标 国外大量国家倾向于使用斯佩林()舒适度指标(用于司乘人员舒适度评价)我国车辆研究和制造部门采用这一指标 还有一种称为狄克曼()指标 的舒适度指标(用于行人对桥振动的感应评价)()斯佩林指标(用于司乘人员舒适度评价)如 第 期青海交通科技公式():.()()式中:振幅幅值单位 强震频率()为频率修正函数见表 和表 表 ()计算公式振动方向()计算公式横向振动当.时().当.时()/当 时()竖向振动当.时().当.时()/当 时()表 车辆舒适度评价标准舒适度(司乘人员感觉).感觉稍有振动.感觉明显振动.感觉明显振动但无不舒适感.振动强烈不规则但能忍受.振动非常不规则感觉不舒适.振动极端不规则时间长则不能忍受.极端不舒适时间长则对人有害 ()狄克曼()指标 的计算及判定标准见表 和表 表 狄克曼指标 的计算振动方向 计算公式横向振动当 时 竖向振动当 时 注:为振动幅值 为强振频率表 人体对振动敏感度区域与 值对应表 值人体对振动敏感度区域.能感受到振动的下限.能忍受任意长时间的振动能忍受短期振动一般人对振动过分疲劳的上限 表 为根据实测数据计算的主桥跑车工况下的狄克曼指标 值及斯佩林指标 从表 可知斯佩林指标 值均小于.舒适度的评价结论为“感觉稍有振动”狄克曼指标 值均小于.属于“能感受到振动的下限”即主桥在行车条件下可感觉到桥梁稍有振动桥上行人及司乘人员均无不舒适感说明桥梁结构使用阶段的动力舒适性能较好青海交通科技 第 期表 主桥中跨跑车工况下狄克曼指标 值及斯佩林指标 车速强振频率/振动幅值/斯佩林指标 司乘人员感觉狄克曼指标 人体对振动敏感度区域/.感觉稍有振动.能感受到振动的下限/.感觉稍有振动.能感受到振动的下限/.感觉稍有振动.能感受到振动的下限/.感觉稍有振动.能感受到振动的下限/.感觉稍有振动.能感受到振动的下限 结论通过某多跨连续梁拱组合桥动载试验实测数据与理论计算对比分析可以得出如下结论:()主桥实测冲击系数在.范围内刹车时冲击系数稍大于设计值.说明试验跨行车性能及桥面平顺度基本满足正常行车性能要求应尽量避免车辆在桥梁急刹车()主桥实测各阶振动振型与理论计算值吻合较好说明桥梁实际刚度达到理论预期桥梁结构各阶振动频率的实测阻尼比在正常范围内说明结构处于小阻尼振动状态()主桥在行车条件下可感觉到桥梁稍有振动桥上行人及司乘人员均无不舒适感说明桥梁结构使用阶段的动力舒适性能较好参 考 文 献 张冬兵 王永亮 刘炎等.某多跨连续箱梁桥动力测试及舒适度评价.公路与汽运():.陆进祥.浅谈大跨径连续刚构桥的健康监测.青海交通科技():.柴健 许俊峰.连续刚构桥梁悬臂浇筑施工监测与仿真分析.青海交通科技():.宗周红 赖苍林 林友勤等.大跨度预应力混凝土连续刚构桥的动力特性分析.地震工程与工程振动 ():.().刘洋.公路斜拉桥车桥耦合振动及行车舒适度分析.长沙:中南大学.耿波袁佩尚军年.公轨两用部分斜拉桥耦合振动分析与行车舒适度评价.公路交通技术():.邓敏.独塔斜拉桥结构动力特性分析与冲击系数测试.公路工程 ():.公路桥梁荷载试验规程:/.北京:中华人民共和国交通运输部.中交公路规划设计院.公路桥涵设计通用规范.北京:人民交通出版社.刘世鹏.连续刚构桥静载试验分析.青海交通科技():.韩万水 陈艾荣.风环境下大跨度斜拉桥上的车辆驾驶舒适性评价.中国公路学报():.孙全胜 张立东 车辆速度对大跨斜拉桥行车舒适性的影响分析.中外公路():.宗周红 阮毅 任伟新.环境激励下混凝土独塔斜拉桥的实验模态分析.振动工程学报 ():.第 期青海交通科技