1、高墩大跨连续刚构桥动力特性分析与试验研究摘要：以马水河大桥为研究对象，通过对高墩大跨连续刚构桥成桥状态下的动载试验，并用大型通用有限元计算软件对其进行模拟，通过实测数据与理论计算数据分析比较，合理地判断出该桥的健康状态，为桥梁的后期管理和养护提供科学依据。 关键词：高墩连续刚构桥；有限元法；动力特性 中图分类号： TU997 文献标识码：A Analysis of Dynamic Behaviour and Testing Research for Long Span and High-Piers Continnuous Rigid-Framed Bridge LIANG Xin-yu (Da
2、lian Municipal Design&research Institute Co.ltd,Liaoning,Dalian,116011, China) Abstract：Regard ma shui river bridge as the research task,through running state dynamic test for long span and high-piers continuous rigid-framed bridge,and the structure simulation analysis is made to the bridge by adopt
3、ing a large general finite-element software,using the measured value and the theoretical calculation measured are analysed and compared,in order to reasonably evaluation the health state of the bridge,as the bridge the subsequent management and maintenance to provide a scientific basis . Key words：H
4、igh-piers continuous rigid frame bridge；Finite element method；Dynamic behaviour 0 前言 近年来，随着我国高等级公路建设的快速发展，桥梁结构形式变化多样，其跨度越来越大，桥墩越来越高，结构体系也越来越柔，特别是高墩大跨径桥梁，由此导致的桥梁结构动力特性问题非常突出，其动力特性分析亦显得非常重要。本文结合工程实例，通过现场动载试验数据与理论计算数据分析对比，从而评定出该桥的健康状态，为保证桥梁正常运营及后期桥梁维护和管养提供科学的依据。 1 工程概况 马水河大桥是一座分离式大桥，位于湖北省恩施市境内，跨越马水河，与大
5、水井隧道相接，本文以左幅桥为研究对象，其中左幅桥全长1673m，主桥上部结构为 110+3200+110=820m 五跨一联三向预应力混凝土变截面连续刚构桥，全桥为单箱单室直腹式截面，顶宽 12.50m，底宽6.5m。箱梁支点梁高 12.00m，跨中梁高 3.50m；下部结构为钢筋混凝土双肢薄壁墩，其中左幅桥最高墩为 139m，是同类桥梁中的较高墩。桥梁立面如图 1 所示。 图 1 马水河大桥(左幅)立面图 2 有限元分析模型 根据马水河大桥施工图，按照该桥的实际尺寸和构造采用大型有限元结构分析软件 ANSYS，建立三维有限元计算模型，计算模型中采用了两种单元：体单元（Solid65）：模拟箱
6、梁及双薄壁墩柱的钢筋混凝土结构；杆单元（link10）：模拟箱梁的预应力钢束。本文的有限元模型没有考虑承台及以下部位的影响,对桥墩梁单元约束底部的全部自由度,而对边跨两端的边界只约束横向和竖向的自由度。桥面铺装层采用附加质量单元来模拟,箱梁为 C50 混凝土,其余为 C40 混凝土，上述参数按照规范取值。 模型中共划分 80168 个单元，产生 164819 个节点。 图 2 主桥有限元分析模型 3 结构动力特性分析 求解结构振动固有频率和主振型的有限元法一般有向量迭代法、广义雅可比法，子空间迭代法，本次结构计算采用子空间迭代法。 子空间迭代是一个 P 维子空间(P n, n 为体系的自由度数
7、)进行迭代。子空间迭代法的基本目的是求解结构体系的前面最低的 P 个频率及振型，它们满足下面的特征方程 （1） 其中=diag，为含有 P 个振型矩阵。 对于 n 个自由度体系（i=1，2，p） 。 另外，振型也满足正交条件，即 （2） 子空间迭代需满足式(1)的 P 个以m为权的正交特征矢量构成一个对矩阵k及m来说的 P 维子空间的基。这个 P 维子空间叫做。在解的过程中，把 P 个线性无关的矢量进行迭代可以看成是子空间迭代。P 个初始试探矢量构成一个初始 P 维子空间，迭代一直要进行到,（k 代表迭代次数)足够接近为止。 采用有限元计算，全桥前 10 阶振动固有频率见表 1。其前三阶振型如
8、图 35 所示。 表 1 全桥结构理论计算振动固有频率 图 3 全桥第 1 阶振型 图 4 全桥第 2 阶振型 5 全桥第 3 阶振型 4 桥梁成桥状态下动载试验 动载试验包括结构的振动频率和动应变测量两个部分，其目的是通过测量数据和记录波形，得到桥梁结构的动力特性。各工况下的响应如图 69 所示。 图 6 脉动竖向加速度响应频谱图 图 7 跑车试验竖向加速度响应频谱图 图 8 跳车试验加速度响应频谱图图 9 刹车试验加速度响应频谱图 由于传感器放置位置、脉动激励、试验车辆荷载等附加质量等影响，某些模态振型未识别出。经分析判断动载试验各工况下识别的结构固有频率见表 2。 表 2 全桥结构固有频
9、率（Hz） 注： *代表模态未识别出 5 结果分析 自振频率值的大小是桥跨结构整体刚度的直接体现，通过计算分析数值与动载试验数据进行对比可知： 1)采用实体单元建立三维有限元模型，弥补了平面杆件结构有限元方法存在的不足，使得计算结果更符合实际情况，也为同类结构的安全性评估提供了可靠的保证； 2)针对预应力混凝土高墩连续刚构梁桥，研究了其全桥的动力特性，根据数据可知，动力特性试验实测自振频率基本大于理论计算的自振频率，表明实测抗弯刚度大于设计刚度值。这也说明本桥刚度上设计是合理的，施工质量达到了规范要求。 6 结论与建议 本文结合工程实例，通过对全桥结构的动载试验与有限元计算数据对比，合理地评定出桥梁结构的健康状态，为该桥的后期维护和管养提供了科学的依据。因此，对于在工程中出现的高墩大跨桥，应结合具体情况，在充分考虑结构的强度、刚度及稳定性方面，应对其动力特性给与足够的重视。 参考文献： 【1】 马保林高墩大跨连续刚构桥北京：人民交通出版社，2001. 【2】 宗周红、赖苍林大跨度预应力连续刚构桥的动力特性分析地震工程与工程振动，2004. 【3】 邹经湘结构动力学哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1999. 【4】 廖萍、李黎等薄壁高墩连续刚构桥的线性稳定分析公路，2005（4）. 【5】 王浩、乔建东.桥梁结构动力特性的有限元分析与试验研究公路交通科技，2004（6）.
