人行懸索橋動(dòng)荷載試驗(yàn)技術(shù)研究
2018-02-22
0 引言
橋梁結(jié)構(gòu)在移動(dòng)的車輛、人群、風(fēng)力和地震等動(dòng)力荷載作用下會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。受這些動(dòng)力荷載因素的影響，橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的動(dòng)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?yàn)槿诵袘宜鳂?，并且沿線沒(méi)有汽車道路通至橋面上，常規(guī)的以汽車荷載為動(dòng)力荷載的動(dòng)載試驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行。為此，提出了以人行、人群跑動(dòng)、和人車共同耦合作用下的動(dòng)力荷載試驗(yàn)技術(shù)。同時(shí)，本次動(dòng)載試驗(yàn)還采用環(huán)境激勵(lì)方式，檢測(cè)本人行懸索橋的固有頻率和振動(dòng)模型。利用DH3817動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng)，測(cè)量動(dòng)載作用下該橋指定斷面上的動(dòng)應(yīng)變或指定動(dòng)撓度，并根據(jù)測(cè)的數(shù)據(jù)確定橋梁的沖擊系數(shù)和動(dòng)態(tài)增量。
1 動(dòng)力荷載試驗(yàn)的內(nèi)容
動(dòng)態(tài)荷載試驗(yàn)主要是從動(dòng)力的角度出發(fā)，通過(guò)記錄和處理在動(dòng)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(dòng)載試驗(yàn)主要是測(cè)試橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性、速度時(shí)程響應(yīng)和受迫振動(dòng)特性。
根據(jù)本人行懸索橋的實(shí)際情況，動(dòng)力荷載試驗(yàn)的內(nèi)容包括：最大振撓度、橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)應(yīng)變、振動(dòng)頻率、橋梁動(dòng)力沖擊系數(shù)、橋梁結(jié)構(gòu)的阻尼特性等。
2 動(dòng)力荷載試驗(yàn)的方法
自振特性測(cè)試采用勻速人行、加速人群跑動(dòng)、人車（手推車）共同耦合跑動(dòng)、和人車共同耦合跳過(guò)障礙、人車共同耦合跳過(guò)障礙急停的方式。鑒于檢測(cè)橋梁為大跨度人行懸索橋，跑車測(cè)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(cè)橋跨行駛；行人測(cè)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(cè)橋跨行走；跳車測(cè)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(cè)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(dòng)載試驗(yàn)采用DH3817動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析儀進(jìn)行。動(dòng)載測(cè)試時(shí)傳感器布置在橋梁的跨中，傳感器布置以及觀測(cè)設(shè)備見(jiàn)圖1。動(dòng)力荷載試驗(yàn)激勵(lì)工況如表1所示。
3 結(jié)構(gòu)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)由于橋梁結(jié)構(gòu)受到動(dòng)荷載作用，其各項(xiàng)參數(shù)會(huì)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(dòng)力的沖擊系數(shù)等。因此可知，通過(guò)分析結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性能夠清楚地掌握橋梁結(jié)構(gòu)在動(dòng)荷載作用下的受力狀態(tài)及動(dòng)力作用對(duì)行人的舒適性。而分析結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性最有效的方式是進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)載試驗(yàn)，從試驗(yàn)中獲得數(shù)據(jù)，通過(guò)分析和處理數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)橋梁振動(dòng)的內(nèi)在規(guī)律，進(jìn)而了解和掌握橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能。
利用動(dòng)載試驗(yàn)，我們可以獲得大量橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)，即各種振動(dòng)量。直接對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析很難發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的性質(zhì)和規(guī)律，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)振動(dòng)很復(fù)雜，而且隨機(jī)。此時(shí)要想獲得結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能，還需對(duì)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(gè)具有連續(xù)分布質(zhì)量的體系，即自由度體系無(wú)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(wú)限多個(gè)。盡管如此，在實(shí)際的動(dòng)力分析過(guò)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(gè)固有頻率即可。
動(dòng)載的沖擊系數(shù)是動(dòng)載在在橋面前進(jìn)時(shí)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的豎向動(dòng)力效應(yīng)的增大系數(shù)。在動(dòng)荷載作用下，測(cè)定橋梁結(jié)構(gòu)某些部位的振動(dòng)參數(shù)時(shí)，首先綜合各項(xiàng)試驗(yàn)條件和結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置，之后選擇適當(dāng)?shù)膬x器進(jìn)行測(cè)試。在動(dòng)荷載作用下，動(dòng)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(duì)橋梁的動(dòng)力作用，因此必須對(duì)活載沖擊系數(shù)加以測(cè)定和記錄。
用對(duì)數(shù)衰減率δ或阻尼比D來(lái)表示橋梁結(jié)構(gòu)的阻尼特性， 依據(jù)振動(dòng)理論發(fā)現(xiàn)，對(duì)數(shù)衰減率為
式中，At，At+1分別為相鄰兩個(gè)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(yàn)中，常在衰減曲線上量取多個(gè)波形，本文量取的是三個(gè)，求得平均衰減率
依據(jù)振動(dòng)理論發(fā)現(xiàn)，對(duì)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(dòng)衰減之間是正比的關(guān)系，阻尼比越小，振動(dòng)衰減越慢，反之，相反。
活載沖擊系數(shù)綜合地反映了動(dòng)力荷載對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力作用。因此有必要測(cè)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(guò)橋梁，逐次記錄跨中截面的撓度時(shí)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(dòng)撓度值。
由于在動(dòng)力荷載作用下，橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動(dòng)包含多個(gè)頻率，且是隨機(jī)的，無(wú)法用一個(gè)具體的函數(shù)來(lái)描述，也就無(wú)從知曉結(jié)構(gòu)的振動(dòng)規(guī)律。隨機(jī)數(shù)據(jù)具有不規(guī)則性、不確定性等特點(diǎn)。樣本是指隨機(jī)變量的單個(gè)試驗(yàn)，樣本記錄是指每次單個(gè)試驗(yàn)的時(shí)間歷程曲線，隨機(jī)過(guò)程是指同一試驗(yàn)的多個(gè)試驗(yàn)的樣本集合或總體。雖然在單個(gè)觀測(cè)樣本中隨機(jī)數(shù)據(jù)具有很強(qiáng)的不確定性和不規(guī)則性，但是對(duì)于大量樣本的集合來(lái)說(shuō)，還是存在一定的規(guī)律的。
4 試驗(yàn)結(jié)果分析
①試驗(yàn)荷載效應(yīng)理論值采用橋梁結(jié)構(gòu)分析專用程序Midas/Civil 201計(jì)算得到。比較橋梁結(jié)構(gòu)頻率的理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值，若實(shí)測(cè)值大于理論計(jì)算值，說(shuō)明橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度較大，反之，則相反，此時(shí)很可能出現(xiàn)意外情況。需要注意的是在進(jìn)行理論計(jì)算時(shí)，由于諸多客觀因素的限制，應(yīng)使實(shí)測(cè)值小于理論計(jì)算值。
?、趨⒖几鶕?jù)動(dòng)力沖擊系數(shù)的實(shí)測(cè)值，可掌握橋梁結(jié)構(gòu)的通行性能，當(dāng)實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)較大時(shí)，說(shuō)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。
③阻尼比和振動(dòng)衰減之間是正比的關(guān)系，阻尼比越小，振動(dòng)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(guò)猶不及。
動(dòng)載試驗(yàn)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(dòng)載試驗(yàn)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(shí)測(cè)速度時(shí)程曲線及頻譜數(shù)據(jù)可知，該橋橋梁，振動(dòng)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(guò)對(duì)人行懸索橋的動(dòng)荷載試驗(yàn)，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(yàn)橋梁滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，檢測(cè)橋跨的變形符合設(shè)計(jì)剛度規(guī)定，能夠在正常彈性范圍內(nèi)工作。橋梁工程實(shí)體檢測(cè)及常規(guī)檢測(cè)均滿足相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，此外，橋梁的動(dòng)態(tài)性能也滿足要求。因此，所測(cè)橋跨質(zhì)量良好，其承載能力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
由于本橋的大跨度人行懸索橋。并位于兩山的山頂，沒(méi)有行車的道路，荷載的運(yùn)輸與加載非常困難。但通過(guò)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(yàn)，并達(dá)到了預(yù)期的結(jié)果。本檢測(cè)方法具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。
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