对称式连续刚构桥动力性能分析及试验验证.doc

1、对称式连续刚构桥动力性能分析及试验验证摘要： 连续刚构桥是墩梁固结的连续梁桥，与同类桥型相比，连续刚构桥保持了上部构造连续梁的属性，但是跨越能力更大，施工难度小，行车舒顺，养护简便，造价较低，因此近些年在公路建设中得到了广泛应用。多跨连续刚构桥在主跨跨中设铰，两侧跨径为连续体系，可利用边跨连续梁的重量使 T 构做成不等长悬臂，以加大主跨的跨径。典型的连续刚构体系为对称布置，采用平衡悬臂施工方法修建，但是有时由于地域条件的限制，连续刚构体系有时也采用非对称布置。由于连续刚构桥与普通的桥型（如连续 T 梁）相比，主跨跨径较大，受汽车荷载作用的时间长，车桥耦合振动明显。因此本文以金沙特大桥为背景，对

2、该桥的动力性能进行有限元分析计算，同时进行试验验证，以此得出一些有益于对称式连续刚构桥的结论与建议，同时为桥梁运营以后的健康检测和状态评估提供可靠的参考依据。 关键词： 连续刚构 有限元分析 荷载试验动力性能 中图分类号：U448.23 文献标识码： A 文章编号： 1. 工程概况： 金沙特大桥主桥的孔跨布置为 86m+160m +86m，主桥采用变截面预应力混凝土连续刚构箱梁，设计荷载为公路-I 级，桥面宽度为 11.0m（行车道）+20.5m（防撞护栏） ，地震动峰值加速度取值为0.05g，桥面纵坡为单向 2.5%。主桥桥跨布置见图 1，主桥结构横断面布置见图 2。 图 1 主桥桥跨布置图

3、（单位：cm） 图 2 主桥结构典型断面布置图（单位：cm） 有限元分析及计算结果 采用大型通用有限元分析软件 MIDAS 建立了该桥的计算模型并对其动力性能进行了分析。在建模过程中，结合混凝土的材料特性和连续刚构桥的受力特点，为准确、全面分析该桥的动力特性，建模过程中主要考虑了以下几方面的工作： （1）主梁和墩柱混凝土的强度一样，均采用 C55 设计强度。 （2）主梁和墩柱交接处需采用刚域条件进行设置，以保证计算更加接近实际受力情况。同时注重模型边界条件的设置，本桥模型墩柱底部采用固结，两跨边梁端部采用铰接。 （3）主梁沿着桥梁纵向梁高不断的变化，需采用变截面进行模拟，同时结构是对称的，建模

4、时可使用镜像功能，提高建模的效率。 由于连续刚构桥节点和单元数量众多，在建模时，通过 CAD 把墩柱和主梁的主要节点的坐标定下来，然后把坐标导入迈达斯，形成单元，再将单元进行复制镜像，最后形成整个桥的模型。在整个建模过程中，要综合考虑结构的质量，刚度以及边界条件，宏观上把握结构的整体特性，保证桥梁计算结果的准确。该桥模型节点总数 171 个，单元总数 167个， 计算模型如图 3 所示。 图 3 主跨结构空间有限元仿真模型 3 结构自振特性理论分析方法 有限元软件在对结构自振特性进行计算时，首先将结构离散成若干单元；再对每个单元进行分析，建立单元刚度矩阵，最后形成总体刚度矩阵，再对整体结构进行

5、分析。 4 结构自振特性计算结果 本文提取桥梁的前三阶竖向弯曲振进行分析，图 4图 6 为桥梁结构前三阶竖向弯曲振型计算结果。 图 4 一阶竖向弯曲计算振型（f1=1.00Hz） 图 5 二阶竖向弯曲计算振型（f1=1.36Hz） 图 6 三阶竖向弯曲计算振型（f1=1.96Hz） 5 结构动力特性试验及测试结果 （1）试验方法 在结构的特征截面位置布置加速度传感器，J3 截面位于主跨的 1/4处，J4 截面位于主跨的 1/2 处。 桥梁结构的振动频率、阵型等是影响桥梁动力学性能的主要因素，也是结构总体动力特性的一种表现。测试时，在结构的特征截面位置布置加速度传感器和电阻应变片，试验方法为脉动

6、试验、跳车试验和跑车试验。 脉动试验：在桥面无任何交通荷载以及桥址附近无规则振源的情况下，测定桥跨结构由桥址处风荷载、地脉动、水流等随机荷载激振而引起的桥跨结构微小振动响应。从而分析出桥跨结构的自振特性参数(自振频率、振型)。 跳车试验：采用 1 台载重车在桥跨结构特征断面，从规定高度的跳木上落下，对桥梁结构进行激励，采集结构余振振动信号，经分析后得到桥跨结构自振特性参数。 跑车试验：采用两台加载车辆以不同的速度通过桥梁，采集车辆出桥后桥跨结构的自由振动信号，经分析后得到桥跨结构自振特性参数。 （2）测试结果 通过测试，得出该桥前 3 阶自振频率，图 7图 9 为实测自振信号频谱图。结构自振特

7、性实测结果汇总见表 1。 表 1 自振特性检测结果汇总表 图 7 实测脉动频谱图 图 8 跳车余振频谱分析图 图 920 公里跑车余振频谱分析图 6 结构动力响应试验及测试结果 通过对动应变时间历程曲线的计算得到测试截面的应变增大系数，其检测结果见表 2，应变增大系数随车速的变化曲线见图 10，行车试验部分动力响应实测信号见图 11。 表 2 行车试验实测结构动应变增大系数 说明：应变增大系数 k 为动应变时程信号的最大值与最大静应变之比。 图 10 实测应变增大系数随车速的变化曲线 图 1130km/h 无障碍行车试验动应变时程曲线 7 动力试验结果分析 （1） 结构动力特性试验结果分析 根

8、据表 1 可以看出，桥梁实测前三阶竖向弯曲自振频率分别为1.00、1.86 和 2.42，前三阶竖向弯曲自振频率计算值分别为 1.00、1.36和 1.96，实测自振频率均大于计算值，与计算频率之比介于 1.001.37之间，自振频率值的大小是桥跨结构整体刚度的直接体现，由此可知，结构实际刚度大于计算刚度，桥梁结构的刚度满足要求。 （2） 结构动力响应试验结果分析 无障碍行车 J3 截面实测应变增大系数介于 1.0261.125 之间，J4 截面实测应变增大系数介于 1.0621.005 之间。按公路桥涵设计通用规范中规定，理论计算冲击系数 =0.98，该桥的动力试验荷载效率为0.167，根据

9、大跨径混凝土桥梁的试验方法 （YC4-4/1978）中“车辆荷载作用下测定结构的动力系数（冲击系数）应满足(实测最大冲击系数动力试验荷载效率理论计算冲击系数)”的规定进行计算可得：该桥的实测冲击系数满足规范中 要求。 由表 2 和图 10 可以看出，对称式连续刚构桥应变增大系数并非和车速呈线性变化，最大的车速不一定能对桥梁造成最大的冲击。车速低，车辆对桥梁的激励力小，但其作用的时间长，车速高，车辆对桥梁的激励力大，但其多用的时间也较短，什么车速对桥梁的冲击最大，只有通过荷载试验验证才可以看出，本桥 J3 截面和 J4 截面在 30km/h 的车速下，受到车辆的冲击最大。在车桥耦合振动中，车桥的

10、固有频率，对冲击的影响起着重要的作用，车桥自振频率越接近，车桥耦合振动的越明显，同时，桥面线形，桥面平整度，桥梁的结构体系等都是影响结构动力响应的因素。 8 结论及建议 1、采用有限元方法对对称式连续刚构桥进行分析计算，是比较可靠快捷的方法。在建模过程中，边界条件和结构刚度和质量的模拟至关重要，边界条件是否模拟正确，决定着计算的结构体系是否发生变化。 2、经试验验证金沙特大桥有限元模型能够反映桥梁结构真实动力特性，可以为该桥进行复杂动力响应分析和状态评估等提供可靠的参考依据。车桥耦合振动影响因素众多，在桥梁以后的运营过程中，桥梁时刻处于受迫振动状态，同时，连续刚构桥与其他普通桥梁相比，主跨跨径比较大，车桥耦合作用时间较长，所以应加强对大桥运营状态进行健康监测。 参考文献 1. 大跨径混凝土桥梁的试验方法M北京人民交通出版社，1982 2. 公路桥梁承载能力检测评定规程M北京人民交通出版社，2011 宋一凡公路桥梁动力学M北京人民交通出版社，2002 谌润水，胡钊芳公路桥梁荷载试验M北京人民交通出版社，2003