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。
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