中承式系杆拱桥动荷载实验及分析

论文导读：
摘要：基于有限元分析理论, 采用有限元软件Midas Civil, 以中承式系杆拱桥为工程背景, 对该桥的自振特性进行了理论分析, 通过对结构进行动荷载试验, 并将现场采集的试验数据与理论计算数据进行对比分析, 发现自振频率理论值低于实测值, 冲击系数实测值比理论值略大, 说明结构实际刚度比理论刚度大, 但桥面平整度略差。
关键词：中承式系杆拱桥；动载试验；有限元模型；
1．工程概况源于：论文提纲范文www.7ctime.com
中承式系杆拱桥，跨径布置为27＋100＋27米，宽36米。主桥主拱采用二次抛物线拱轴线，边拱采用圆弧拱轴线，截面材料为钢筋混凝土。吊杆采用定型生产的挤包护层扭绞型拉索，间距5.0米，每两根构成一束吊杆，全桥共64根吊杆。桥面以下立柱采用钢筋混凝土结构，间距5米；纵梁之间与吊杆相同间距设置预应力混凝土横梁。设计荷载：城-；抗震设防烈度：7度，设计基本地震加速度0.15g。

2.有限元模型建立

采用有限元软件Midas Civil进行计算分析。纵梁、横梁、拱肋、风撑、加劲撑和立柱采用梁单元模拟，拱座和二级承台采用实体单元模拟，吊杆采用索单元模拟，行车道板采用板单元模拟。全桥共有节点7844个，单元6374个，模型如图1。建立刚度大无质量的虚拟纵梁，将移动荷载简化为集中荷载后加载到虚拟梁上，计算得到各控制截面的内力、变形的时程曲线。
图1 Midas Civil空间模型

3、动载试验目的

研究该桥的整体结构的动力学特性，以判断桥梁的实际运营状况和桥梁的实际承载能力。桥梁在运营过程中过大的振动，一方面会引起乘客或行人的不舒适感；另一方面会带来人们心理上的不安全感。桥梁的自振频率处在某些范围时，很容易由外荷载（包括行驶的车辆、行人、地震、风载）引起共振。通过桥梁动力荷载试验测定桥梁性能，从而为桥梁能承受哪种实际的荷载、运营状况进行评价。

4、动载试验内容

首先，测定桥梁作为一个整体结构在动力荷载作用下的受迫振动特性，特别是桥梁在接近各种运营条件下的汽车或单辆重车以不同的速度通过桥梁，桥梁所反映出的动频率、振幅、速度、振型各种动力特性，以评价大桥的最大动力响应是否满足有关规范的要求，同时根据结构的振动模型来分析桥梁结构有无较大缺陷。其次，测定桥梁结构的自振特性，即结构的自振频率、振型和阻尼特性等。总的来说，包括以下四个方面：

4.1 行车试验

试验时以加载车后轴置于跨中测试断面上，测试静载挠度。然后加载车分别以车速为20 km/h、30km/h、40km/h匀速通过桥跨结构，由于在行驶过程中对桥面产生冲击作用，从而使桥梁结构产生振动。通过动力测试系统测定主梁测试截面处的动挠度时间历程曲线，以测得主梁在行车条件下的振幅响应、动态增量及相应动力系数。

4.2 刹车试验

试验时，加载车分别以30Km/h的速度匀速行驶至跨中测试断面时实施紧急刹车，使其产生较大的制动力并对桥梁形成一定的冲击作用，测定跨中截面处的振幅响应、动态增量及相应动力系数。

4.3 跳车试验

在桥梁跨中截面处桥面设置高度分别为7cm的三角形障碍木块，模拟桥面铺装的局部不平整或损伤状态。试验时，加载车分别以30Km/h的速度匀速通过跨中障碍物，在跨越障碍后对桥梁形成竖向冲击作用，激起桥梁较大的竖向振动。测定此时桥梁在桥面不良状态时运行车辆荷载作用下的动载反应。
障碍物是人工制造的三角形木头，尺寸见图2。试验时三角形木置于主跨跨中截面。
图2 三角形障碍木块尺寸图

4.4 桥梁脉动试验

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，通过高灵敏度动力测试系统测定桥址处风荷载、地脉动、水流等随机荷载激振而引起桥跨结构的微幅振动响应，测得结构的自振频率、振型和阻尼比等动力学特征。测点布置在主跨纵梁跨中截面、四分点共3个测点，布置见图3。
图3拾振器测点布置图

5、动载试验结果分析

5.1自振特性分析

测定桥梁模态自振特性参数是桥梁振动试验的基本内容，也是研究桥梁结构的抗震、抗风或抗其它动荷载的性能和能力所必须了解的基本参数。
为了进一步分析结构自振特性，采用车桥振动和环境随机振动两种方式对本桥的动力特性进行了实测。从实测时程信号中，利用傅里叶变化，去除信号的时间定位功能，提取实测时程信号中的频谱分析图。对振动数据进行试验模态分析，分析结果为：桥跨结构的实测结构的第一阶竖弯模态频率为2.75Hz；第二阶竖弯模态频率为

4.000Hz；第三阶竖弯模态频率为125Hz。试验模态分析结果如表1。

表1 试验模态分析结果

为了进一步分析该桥自振特性，根据规范推荐，采用有限元的计算方法，运用Midas有限元分析软件对其进行模态分析，得到前3阶阵型图（如图2），前10阶模态频率列于表2。
第一阵型
第二阵型
第三阵型
图2 前3阶阵型图
表2 结构前十阶模态频率值

从以上模态分析表1、表2可以看出，桥梁基频为0.740Hz，振型为拱肋横向侧弯。与实测结果一阶对称竖弯对应的模态分析振型为第四阶振型，频率为2.059 Hz小于实测频率2.75 Hz；一阶反对称竖弯的模态分析振型为第八阶振型，频率为3.143Hz小于实测频率4.000Hz；二阶对称竖弯的模态分析振型为第九阶振型，频率为3.371Hz小于实测频率4.125Hz。总之，自振频率理论值低于实测值，说明结构实际刚度比理论刚度大。

5.2阻尼比分析

实测阻尼比的大小反应了桥梁结构耗散外部输入能量的能力，通常桥梁结构的阻尼比在0.01~0.08之间变化。阻尼比越大，说明桥梁结构耗散外部能力输入的能力也越大，相应振动衰减得越快；阻尼比越小，说明桥梁结构耗散外部输入能量的能力也越差，相应振动衰减得慢。但是，过大的阻尼比则说明桥梁结构可能存在开裂或支座工作不正常等桥梁病害现象。从表1中可知，实测分析结果中阻尼比分别为0.0489、0.01943、0.07289，均在桥梁结构允许的阻尼论文导读：性的跑车试验、跳车、刹车试验的挠度时程曲线，经计算得到冲击系数，并与理论计算值进行了对比如表3。上一页12
比范围内，表明结构工作状态正常。

5.3冲击系数分析

当车辆以一定速度通过桥跨或在跨中以一定的速度制动、跨越障碍时，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且动挠度也比相同静荷载时大。这种运动荷载对应力和挠度的增大影响，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、桥面平整度以及运行车辆的动力特性、车速等因素的影响。因此冲击系数是确定车辆荷载对桥梁动力作用的重要参数。
活载冲击系数（或称动力系数）根据实测动挠度曲线，进行分析整理而得，可按下式计算：
（3-6）
式中：——动载作用下该测点最大动挠度，即最大波峰值；
——相应的静载作用下该测点最大挠度值。
（3-7）
式中为与相应的最小挠度值。
静荷载试验时，加载车跨中加载的静挠度为0.689mm。本文选取具有代表性的跑车试验、跳车、刹车试验的挠度时程曲线，经计算得到冲击系数，并与理论计算值进行了对比如表3。