鋼－混凝土組合結構的振動特性測試與計算分析
發布時間：2010-01-14 共2頁
為滿足交通運輸日益增長的需要，不但各種交通車輛的數量有迅速的增長，而且車輛的行駛速度和載重量也很提高。并且近年來隨著計算理論的不斷完善，以及新結構開工和輕質高強材料的應用，都促使橋梁結構逐漸輕型化。因此，車輛荷載和其它動荷載對橋梁結構的沖擊和振動影響，已成為橋梁結構計算分析中不容忽視的重要因素之一。
橋梁的振動問題，影響因素復雜，只靠理論分析不易達到實用的結果。一般需采用計算與試驗相結合的手段，而動態測試正是解決工程問題必不可少的手段。
橋梁的動載試驗與靜載試驗相比具有其特殊性。首先，引起結構產生振動的振源（例如車輛、人群、陣風和地震力等）和結構的振動響應都是隨時間而變化的，而結構在動荷載作用下的響應與結構本身的動力特性有密切關系。動荷載的動力效應一般于相應的靜力效應時；有時，甚至在一個不的動力作用下，也可能使結構受到嚴重的損壞。
因此，動載試驗通過測定結構的動力特性（包括結構自振頻率、阻尼比、模態振型）和結構動荷載作用下的強迫振動響應（包括振幅、沖擊系數和疲勞性能等）來初步分析橋梁的工作狀態。
眾所周知，鋼－混凝土組合梁是組合結構體系的最基本構件之一，它是通剪力連接件把鋼筋混凝土板與鋼梁組合在一起，使之成為整體而協同工作的受彎構件。由于它受力合理且施工方便，并且具有良好的延性與抗震性能，因此，在我國的橋梁結構尤其是特路徑結構中得到了越來越廣泛的應用。某立交因跨越鐵路，其跨徑達97m，采用了鋼－混凝土組合結構。本文以該立交為例，對這種結構的支力特性進行了較為詳細的論述。
1 工程概況
某立交橋是由主橋、2號匝道（Z2）和3號匝道（Z3）3部分組成，3座橋均為跨越鐵路的跨度連續橋梁，上述3橋在Y－16號墩處合并為主橋，Z2、Z3為曲線橋，結構異形，構造復雜。
其中，主橋為3孔預應力鋼－混凝土組合梁結構，其跨徑組合為60m＋90m+61.45m，橋梁橫斷面分為3個鋼箱，橋梁全寬21.2m。
Z2為3孔鋼－混凝土組合梁結構，跨徑組合為65.37m＋97.20m+73.44m，橋梁橫斷面為單箱單室結構，橋梁全寬8.2m。
Z3為3孔鋼－混凝土組合梁結構，跨徑組合為55.04m＋82.08m+45.91m，橋梁橫斷面為單箱雙室結構，橋梁全寬10.2m。
3座橋結構厚度均為3.07m，鋼箱高度為2.7m。
該立交橋的下部結構為鋼管混凝土圓柱，墩梁固結，基礎為鋼筋混凝土鉆孔灌注樁。
2 模態試驗測點布置
模態分析要求被測對象的測點盡量多。綜合該橋的結構尺寸和傳感器的數量，分別對該立交橋、Z2和Z3進行模態測試。主橋和Z2、Z3都是三跨連續結構，Z2、Z3中的一個邊跨都與主橋連接，這跨的扭轉模態可以不考慮。對主橋考慮到其對稱性，僅在單側布置測點，由于Z2、Z3是彎橋，在兩側分別布置測點（分為12等份，Z2和Z3各26個測點），測試其扭轉效應。
3 測量結果及分析
3.1 環境（脈動）激勵下的模態試驗
3.1.1 測量數據分析
對主橋、Z2和Z3分別測量，并進行數據分析得到該橋的前六階模態。模態頻率和阻尼系數如表1所示。
表1 實測的各階模態頻率及阻尼系數
模態階數 模態頻率/HZ 阻尼比1%
1 1.25（Z2中跨） 1.80
2 1.50（Z3中跨） 1.94
3 1.54（主橋中跨） 2.35
4 1.87（Z2邊跨） 2.25
5 2.31（Z3邊跨） 1.87
6 2.35（主橋西邊跨） 2.24
3.1.2 實測各階振型模態分析
第一階頻率1.25HZ，振動為以Z2匝道橋中跨一階彎曲模態為主，由于受橋墩約束限制，形成以橋墩為節點的三跨連續波浪狀彎曲，但是由于與主橋連接部受主橋的約束，該處彎曲幅度較小。
第二階頻率1.50HZ，振型為以Z3匝道道橋中跨一階彎曲模態為主，振型與Z2橋相似，但是中跨有輕微的扭轉。
第三階頻率1.54HZ，||振型為以主橋中跨一階彎曲模態為主，振型分析與第一階同。
但是由于主橋與2個匝道橋在其中1個邊跨處相聯接，所以在某一階主要頻率都是受其它2部分的限制而產生的，即其中1跨在以其固有頻率振動時，其他2個分支橋面也由于連接部分的傳遞而以該頻率作小幅度的振動。
第四階頻率1.87HZ，振型為以Z2匝道橋展開方向的邊跨一階彎曲模態為主，同時Z2匝道橋的中跨做與該邊跨同向的一階彎曲，形成以橋墩為節點的同向彎曲，但是由于與主橋連接部位受主橋的約束，該跨的彎曲幅度很小。
第五階頻率2.31HZ，振型為以Z3匝道邊跨的一階彎曲模態為主，同是地Z3匝道橋的中跨做與該邊跨同向一階彎曲，形成以橋墩為節點的同向彎曲，原因同上，與主橋連接部的彎曲幅度相比很小。
第六階頻率2.35HZ，振型為以主橋展開方向的邊跨一階彎曲模態為主。
3.2 動力響應特性
因為該立交跨越鐵路，故測試了火車在橋下通過時對該橋的激勵。火車在橋下通過時，車輪的不規則跳動和軌道面的不平整以及車體的固有振動都可以通過橋墩傳到橋面，對橋產生一個隨機的激勵，這個激勵環境會隨車速、車重的提高而加。
國內外量的測試資料表明，道訂低頻加速度的頻率范圍為30～60HZ，高頻加速度的頻率范圍為200～700HZ，并含有1000HZ以上的頻率成分。從目前的測試結果可知，火車經過時信號頻帶較寬，其激起的橋面響應約為汽車響應的1/10，對橋產生的隨機激勵高、低頻段都落在自振頻率范圍之外。
試驗測得火車通過時，主橋以Z2、Z3的響應特性分述如下：
（1）主橋
通過對火車經過時間段橋面響應信號的分析，發現火車激起的主橋固有頻率在8HZ以下有幾個峰值，其中3.90HZ的響應相對較。
另外，從時域上看主橋的信號幅值，在中斷橋面交通夜間測試時，無火車通過時最振幅為0.017mm，有火車通過時最振幅為0.059mm。
（2）Z2匝道橋
從時域上看Z2匝道橋的信號幅值，在沒有火車通過時最振幅為0.027mm，有火車通過時為0.071mm。
（3）Z3匝道橋
Z3匝道橋在沒有火車通過時最振幅為0.017mm，有火車通過時為0.093mm，經過實時測量可以得出橋面的響應峰值與列車的重量關系很，0.093mm是在一列運載坦克的火車經過時的振動最時域幅值，而一般的貨物列車經過時的最振動時域幅值為它的一半左右。
