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人行懸索橋動荷載試驗技術研究
2018-02-22 
   0 引言

   橋梁結構在移動的車輛、人群、風力和地震等動力荷載作用下會產生振動。受這些動力荷載因素的影響,橋梁結構產生的動力效應往往大于其靜止作用在橋上所產生的靜力效應。由于本橋為人行懸索橋,并且沿線沒有汽車道路通至橋面上,常規的以汽車荷載為動力荷載的動載試驗無法進行。為此,提出了以人行、人群跑動、和人車共同耦合作用下的動力荷載試驗技術。同時,本次動載試驗還采用環境激勵方式,檢測本人行懸索橋的固有頻率和振動模型。利用DH3817動靜態應變測試分析系統,測量動載作用下該橋指定斷面上的動應變或指定動撓度,并根據測的數據確定橋梁的沖擊系數和動態增量。

   1 動力荷載試驗的內容

   動態荷載試驗主要是從動力的角度出發,通過記錄和處理在動荷載作用下結構的固有基頻、振型、沖擊系數等參數,分析結構各方面的性質。動載試驗主要是測試橋梁結構的自振特性、速度時程響應和受迫振動特性。

   根據本人行懸索橋的實際情況,動力荷載試驗的內容包括:最大振撓度、橋梁結構的振動應變、振動頻率、橋梁動力沖擊系數、橋梁結構的阻尼特性等。

   2 動力荷載試驗的方法

   自振特性測試采用勻速人行、加速人群跑動、人車(手推車)共同耦合跑動、和人車共同耦合跳過障礙、人車共同耦合跳過障礙急停的方式。鑒于檢測橋梁為大跨度人行懸索橋,跑車測試利用一輛分別載重150kg、300kg的雙輪手推車,以慢速(1.2m/s)和快速(2.4m/s)的速度勻速在檢測橋跨行駛;行人測試是利用不用數量的人群以慢速(1.2m/s)和小跑(3m/s)的速度勻速在檢測橋跨行走;跳車測試是利用一輛載重300kg的雙輪手推車,使其分別以慢速(1.2m/s)和快速(2.4m/s)在一高約10cm的墊塊上自由下落;剎車測試是利用一輛載重300kg的雙輪手推車,以快速(2.4m/s)速度在跨中剎車。動載試驗采用DH3817動態信號采集分析儀進行。動載測試時傳感器布置在橋梁的跨中,傳感器布置以及觀測設備見圖1。動力荷載試驗激勵工況如表1所示。

   3 結構動力理論分析

   橋梁結構的振型、阻尼系數、固有頻率等動力特性主要受其固有性質影響,與結構的其他性質關聯不大,其中固有性質主要包括結構的組成形式、質量分布、剛度、支撐情況、材料性質等。結構動力特性作為結構的基本特性,是進行結構分析必需的參數。同時由于橋梁結構受到動荷載作用,其各項參數會發生變化,比如振幅、應力、位移、加速度以及反映結構整體動力的沖擊系數等。因此可知,通過分析結構動力特性能夠清楚地掌握橋梁結構在動荷載作用下的受力狀態及動力作用對行人的舒適性。而分析結構動力特性最有效的方式是進行橋梁結構的動載試驗,從試驗中獲得數據,通過分析和處理數據發現橋梁振動的內在規律,進而了解和掌握橋梁結構的動力性能。

   利用動載試驗,我們可以獲得大量橋梁結構振動系統相關數據,即各種振動量。直接對這些數據進行分析很難發現結構振動的性質和規律,因為結構振動很復雜,而且隨機。此時要想獲得結構的動態性能,還需對獲得的數據進行必要的分析和處理。

   由于橋梁結構是一個具有連續分布質量的體系,即自由度體系無窮大,而自由度數目與其振型的數目一致,也就意味著橋梁結構的固有頻率以及相應的振型有無限多個。盡管如此,在實際的動力分析過程中只需選取第一固有頻率即可,即使是十分必要的情況也只需選擇前面幾個固有頻率即可。

   動載的沖擊系數是動載在在橋面前進時對橋梁結構產生的豎向動力效應的增大系數。在動荷載作用下,測定橋梁結構某些部位的振動參數時,首先綜合各項試驗條件和結構形式進行測點布置,之后選擇適當的儀器進行測試。在動荷載作用下,動撓度與靜撓度的比值是活荷載的沖擊系數,而活載沖擊系數綜合反映了荷載對橋梁的動力作用,因此必須對活載沖擊系數加以測定和記錄。

   用對數衰減率δ或阻尼比D來表示橋梁結構的阻尼特性, 依據振動理論發現,對數衰減率為

   式中,At,At+1分別為相鄰兩個波的振幅值,從衰減曲線上直接量取即可。通常在具體的試驗中,常在衰減曲線上量取多個波形,本文量取的是三個,求得平均衰減率

   依據振動理論發現,對數衰減率與阻尼比的關系為

   通常情況下阻尼比都很小,因此,式(3)可近似為

   橋梁結構的阻尼比通常在0.01-0.08之間,阻尼比和振動衰減之間是正比的關系,阻尼比越小,振動衰減越慢,反之,相反。

   活載沖擊系數綜合地反映了動力荷載對橋梁結構的動力作用。因此有必要測定橋梁結構的沖擊系數,具體的做法是安排水桶以不同的速度駛過橋梁,逐次記錄跨中截面的撓度時程曲線,按照沖擊系數的定義有  式中:Ysmax:最大靜撓度值;

   Ydmax:最大動撓度值。

   由于在動力荷載作用下,橋梁結構產生的振動包含多個頻率,且是隨機的,無法用一個具體的函數來描述,也就無從知曉結構的振動規律。隨機數據具有不規則性、不確定性等特點。樣本是指隨機變量的單個試驗,樣本記錄是指每次單個試驗的時間歷程曲線,隨機過程是指同一試驗的多個試驗的樣本集合或總體。雖然在單個觀測樣本中隨機數據具有很強的不確定性和不規則性,但是對于大量樣本的集合來說,還是存在一定的規律的。

   4 試驗結果分析

   ①試驗荷載效應理論值采用橋梁結構分析專用程序Midas/Civil 201計算得到。比較橋梁結構頻率的理論計算值與實測值,若實測值大于理論計算值,說明橋梁結構實際剛度較大,反之,則相反,此時很可能出現意外情況。需要注意的是在進行理論計算時,由于諸多客觀因素的限制,應使實測值小于理論計算值。

   ②參考根據動力沖擊系數的實測值,可掌握橋梁結構的通行性能,當實測沖擊系數較大時,說明橋面的平整程度不良,橋梁結構的通行能力差,反之亦然。

   ③阻尼比和振動衰減之間是正比的關系,阻尼比越小,振動衰減越慢,反之,相反。但需注意將阻尼比保持在合理的范圍內,避免過猶不及。

   動載試驗主要結果部分里程曲線及頻譜圖,如圖2所示。

   5 結論

   動載試驗可以得出如下結論:由勻速跑車、跨中剎車和跨中跳車的實測速度時程曲線及頻譜數據可知,該橋橋梁,振動響應較小,阻尼比在0.03-0.06之間,滿足要求,工作性能良好。通過對人行懸索橋的動荷載試驗,在荷載效率系數ηq滿足相關規范標準的基礎上,試驗橋梁滿足設計強度要求,檢測橋跨的變形符合設計剛度規定,能夠在正常彈性范圍內工作。橋梁工程實體檢測及常規檢測均滿足相關規范標準,此外,橋梁的動態性能也滿足要求。因此,所測橋跨質量良好,其承載能力達到設計要求。

   由于本橋的大跨度人行懸索橋。并位于兩山的山頂,沒有行車的道路,荷載的運輸與加載非常困難。但通過充分的技術方法的措施,順利而圓滿地完成了本橋的荷載試驗,并達到了預期的結果。本檢測方法具有很好的推廣應用價值。

   參考文獻:

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