下承式混凝土系杆拱桥动力特性试验研究

摘 要通过泗水县圣源湖大桥的现场动力特性试验，测试了该桥的频率、振型、阻尼系数及冲击系数等动力参数，并将试验结果与理论分析结果进行了对比分析，为评定该桥的整体受力性能提供了可靠依据，同时也可为同类桥梁的设计与施工积累经验．

关键词下承式系杆拱桥；动力特性；有限元分析

中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：

1工程概况

位于济宁市泗水县的圣源湖大桥是该区域景观建设的重要组成部分。采用（54+62+54）米下承式双肋钢筋混凝土系杆拱桥，设计标准公路―Ⅰ级，双向4车道，中跨矢跨比f/L=1/4，计算跨径L=60m，矢高f=15m。拱肋和风撑采用工字型截面，混凝土材料，拱肋高1.6m，宽1.2m，风撑高1.6m，宽0.6m，系杆采用箱型截面，全桥共设35道预应力混凝土横梁，行车道板采用实心板，现浇成型，图l为该桥的立面图。

图l 圣源湖大桥立面图

2 动力特性的有限元分析

2.1有限元分析建模

根据桥梁结构形式，采用桥梁结构专用分析软件Midas/Civil进行结构静力分析。该桥中跨共划分为293个单元，节点划分及结构离散示意如图2所示

图2 圣源湖大桥中跨有限元模型

2．2 动力特性分析

模态分析方法有子空间法、分块兰斯法、Power Dynamics法、缩减法等。子空间使用子空间迭代技术，内部使用广义雅克比迭代法，该方法采用了完整的K和M 矩阵，计算精度较高；另外，子空间法适用于提取大模型的少数模态(40阶以下)，所以采用此法。在该仿真形态下可进行结构动力特性分析，分析计算成果如图3所示

一阶阵型图（2.49Hz）

二阶阵型图（4.03Hz）

图3 桥梁振型图

3 动载试验

动力测试主要包括自振特性测试和行车激振试验。自振特性测试是测试主梁与主塔的自振频率与振型，一般采用脉动法。行车激振试验包括无障碍行车试验和有障碍行车试验，分别模拟桥面无损伤时桥面行车对桥跨结构的冲击作用。故该桥动载试验分脉动、跑车、跳车和刹车4个内容。

3．1 脉动试验

脉动法也称环境随机振动法，建筑物或桥梁的脉动与地面脉动、风动或气压变化有关，特别是机动车辆行驶、机器设备开动等所产生的扰动及大风或其他冲击波传来的影响尤为显著；建筑物或桥梁脉动的一个重要性质是能明显地反映其本身的固有频率和其他自振特性。在本次脉动试验中，主要测试主桥在自然条件下的脉动响应，从中分析主桥的自振频率和阻尼比。

3．2 车辆击振试验

(1)跑车试验。采用2辆300kN重车，并排以2O、3O、40km/h速度通过桥面，测试桥面动态响应。

(2)跳车试验。采用1辆300kN重车以1Okm/h速度通过高10 cm障碍，并通过桥面，激发桥梁竖向振动，测量桥梁结构的震动响应。

(3)刹车试验。在桥面无任何障碍的情况下，用1辆总重300kN的试验车以5 km/h车速匀速驶至桥梁跨中处进行紧急刹车，测试刹车时的动态响应。

4 实测结果与分析

4．1 模态分析结果与对比

利用MIDAS软件对该桥进行动力特性分析，将计算结果与现场脉动试验结果进行对比。通过动态信号采集分析系统(CrasV7.0)确定该桥中跨模态振型。各频率值和阻尼比如表1所示，各阶振型如图4。

表1 各阶自振参数实测值

从表1可知：

(1) 该桥实测一阶、二阶频率均大于理论计算值，说明该桥跨结构整体刚度较大。(2) 实测阻尼比的大小反映了桥梁结构耗散外部能量输入的能力。该桥的阻尼比较大，为0.03。说明该桥跨结构耗散外部能量输入的能力强，振动衰减较快。

a） 一阶振型

b） 二阶振型

图4 模态振型图

4．2 车辆击振试验结果与分析

在车辆击振试验中，中跨各工况下动挠度时程曲线如图5～9所示。

图5 20km/h跑车动挠度时程曲线

图6 30km/h跑车动挠度时程曲线

图7 40km/h跑车动挠度时程曲线

图8 中跨刹车动挠度时程曲线

图9 中跨跳车动挠度时程曲线

从各工况的动挠度时程曲线分析结构的动力放大系数（冲击系数）如表2：

表2 中跨各工况下动力放大系数结果分析表

5 结论

(1)主跨自振频率实测值与理论值比较接近，说明桥梁结构的自振特性理论计算值与实际结构动态受力较为一致，由于自振频率略大于理论值，说明桥整体刚度优于设计值，并有一定的安全储备。

(2)主跨实测阻尼最大为3.03％ ，说明桥梁耗散外部输入能量的能力较强，振动衰减较快，主桥存在梁体开裂和支座变位等问题的可能性很小。

(3)跑车作用下，实测桥的最大动力放大系数为1.06，其冲击系数均小于依据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）第4.3.2条计算值，桥面总体较平顺。

(4)跳车较跑车时动应变增加明显，动力放大系数为1.32，说明保持桥梁平整通畅对于减小冲击荷载很重要。

参考文献：

1、谌润水 公路桥梁荷载试验[M]．北京：人民交通出版社，2003

2、JTG D60―2004，公路桥涵设计通用规范[S]

3、JTG D62―2004， 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S]

4、宋一凡．公路桥梁荷载试验与结构评定．北京：人民交通出版社，2002

5、JTG/T J21．2011，公路桥梁承载能力检测评定规程[s]