首頁 > 檢測加固 > 正文
人行懸索橋動荷載試驗技術(shù)研究
2018-02-22 
   0 引言

   橋梁結(jié)構(gòu)在移動的車輛、人群、風(fēng)力和地震等動力荷載作用下會產(chǎn)生振動。受這些動力荷載因素的影響,橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的動力效應(yīng)往往大于其靜止作用在橋上所產(chǎn)生的靜力效應(yīng)。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(guī)的以汽車荷載為動力荷載的動載試驗無法進(jìn)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(shù)。同時,本次動載試驗還采用環(huán)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(tài)應(yīng)變測試分析系統(tǒng),測量動載作用下該橋指定斷面上的動應(yīng)變或指定動撓度,并根據(jù)測的數(shù)據(jù)確定橋梁的沖擊系數(shù)和動態(tài)增量。

   1 動力荷載試驗的內(nèi)容

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

   根據(jù)本人行懸索橋的實際情況,動力荷載試驗的內(nèi)容包括:最大振撓度、橋梁結(jié)構(gòu)的振動應(yīng)變、振動頻率、橋梁動力沖擊系數(shù)、橋梁結(jié)構(gòu)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?yán)靡惠v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(shù)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(tài)信號采集分析儀進(jìn)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(shè)備見圖1。動力荷載試驗激勵工況如表1所示。

   3 結(jié)構(gòu)動力理論分析

   橋梁結(jié)構(gòu)的振型、阻尼系數(shù)、固有頻率等動力特性主要受其固有性質(zhì)影響,與結(jié)構(gòu)的其他性質(zhì)關(guān)聯(lián)不大,其中固有性質(zhì)主要包括結(jié)構(gòu)的組成形式、質(zhì)量分布、剛度、支撐情況、材料性質(zhì)等。結(jié)構(gòu)動力特性作為結(jié)構(gòu)的基本特性,是進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析必需的參數(shù)。同時由于橋梁結(jié)構(gòu)受到動荷載作用,其各項參數(shù)會發(fā)生變化,比如振幅、應(yīng)力、位移、加速度以及反映結(jié)構(gòu)整體動力的沖擊系數(shù)等。因此可知,通過分析結(jié)構(gòu)動力特性能夠清楚地掌握橋梁結(jié)構(gòu)在動荷載作用下的受力狀態(tài)及動力作用對行人的舒適性。而分析結(jié)構(gòu)動力特性最有效的方式是進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的動載試驗,從試驗中獲得數(shù)據(jù),通過分析和處理數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)橋梁振動的內(nèi)在規(guī)律,進(jìn)而了解和掌握橋梁結(jié)構(gòu)的動力性能。

   利用動載試驗,我們可以獲得大量橋梁結(jié)構(gòu)振動系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù),即各種振動量。直接對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析很難發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)振動的性質(zhì)和規(guī)律,因為結(jié)構(gòu)振動很復(fù)雜,而且隨機(jī)。此時要想獲得結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能,還需對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的分析和處理。

   由于橋梁結(jié)構(gòu)是一個具有連續(xù)分布質(zhì)量的體系,即自由度體系無窮大,而自由度數(shù)目與其振型的數(shù)目一致,也就意味著橋梁結(jié)構(gòu)的固有頻率以及相應(yīng)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(shù)是動載在在橋面前進(jìn)時對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的豎向動力效應(yīng)的增大系數(shù)。在動荷載作用下,測定橋梁結(jié)構(gòu)某些部位的振動參數(shù)時,首先綜合各項試驗條件和結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行測點布置,之后選擇適當(dāng)?shù)膬x器進(jìn)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(shù),而活載沖擊系數(shù)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(shù)加以測定和記錄。

   用對數(shù)衰減率δ或阻尼比D來表示橋梁結(jié)構(gòu)的阻尼特性, 依據(jù)振動理論發(fā)現(xiàn),對數(shù)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(jù)振動理論發(fā)現(xiàn),對數(shù)衰減率與阻尼比的關(guān)系為

   通常情況下阻尼比都很小,因此,式(3)可近似為

   橋梁結(jié)構(gòu)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(guān)系,阻尼比越小,振動衰減越慢,反之,相反。

   活載沖擊系數(shù)綜合地反映了動力荷載對橋梁結(jié)構(gòu)的動力作用。因此有必要測定橋梁結(jié)構(gòu)的沖擊系數(shù),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(shù)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(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動包含多個頻率,且是隨機(jī)的,無法用一個具體的函數(shù)來描述,也就無從知曉結(jié)構(gòu)的振動規(guī)律。隨機(jī)數(shù)據(jù)具有不規(guī)則性、不確定性等特點。樣本是指隨機(jī)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(jī)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(jī)數(shù)據(jù)具有很強的不確定性和不規(guī)則性,但是對于大量樣本的集合來說,還是存在一定的規(guī)律的。

   4 試驗結(jié)果分析

  ?、僭囼灪奢d效應(yīng)理論值采用橋梁結(jié)構(gòu)分析專用程序Midas/Civil 201計算得到。比較橋梁結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)實際剛度較大,反之,則相反,此時很可能出現(xiàn)意外情況。需要注意的是在進(jìn)行理論計算時,由于諸多客觀因素的限制,應(yīng)使實測值小于理論計算值。

  ?、趨⒖几鶕?jù)動力沖擊系數(shù)的實測值,可掌握橋梁結(jié)構(gòu)的通行性能,當(dāng)實測沖擊系數(shù)較大時,說明橋面的平整程度不良,橋梁結(jié)構(gòu)的通行能力差,反之亦然。

  ?、圩枘岜群驼駝铀p之間是正比的關(guān)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(nèi),避免過猶不及。

   動載試驗主要結(jié)果部分里程曲線及頻譜圖,如圖2所示。

   5 結(jié)論

   動載試驗可以得出如下結(jié)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(shù)據(jù)可知,該橋橋梁,振動響應(yīng)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(shù)ηq滿足相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,試驗橋梁滿足設(shè)計強度要求,檢測橋跨的變形符合設(shè)計剛度規(guī)定,能夠在正常彈性范圍內(nèi)工作。橋梁工程實體檢測及常規(guī)檢測均滿足相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),此外,橋梁的動態(tài)性能也滿足要求。因此,所測橋跨質(zhì)量良好,其承載能力達(dá)到設(shè)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(shù)方法的措施,順利而圓滿地完成了本橋的荷載試驗,并達(dá)到了預(yù)期的結(jié)果。本檢測方法具有很好的推廣應(yīng)用價值。

   參考文獻(xiàn):

   [1]樊健生,陳宇,聶建國.人行橋的TMD減振優(yōu)化設(shè)計研究[J].工程力學(xué),2012(09).

   [2]黨振宇,陳璞.人行橋振動舒適度評價的頻域方法[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2009(14).

   [3]趙鄂桂.人行橋振動舒適度評價及控制研究綜述[J].建材世界,2009(02).

   [4]Matsumoto Y,Sato S,Nishioka T,Shiojiri H.Study on dynamic design of pedestrian over-bridges in consideration of characteristics of pedestrians[J]. Proceedings of JSCE Japan Society of Civil Engineers,1972.
Copyright © 2007-2022 cnbridge.cn All Rights Reserved
服務(wù)熱線:010-64708566 法律顧問:北京君致律師所 陳棟強
ICP經(jīng)營許可證100299號 京ICP備10020099號  京公網(wǎng)安備 11010802020311號