剛性系桿柔性拱橋模型試驗研究

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1、剛性系桿柔性拱橋模型試驗研究張濤49剛性系桿柔性拱橋模型試驗研究張濤(同濟大學,上海200092)摘要:新城黃河公路大橋為裝配式預應力鋼筋混凝土系桿拱橋,橋梁運營時間超過40年,在活載作用下存在明顯的結(jié)構(gòu)振動病害。為系統(tǒng)研究該橋動力特性,制作該橋模型進行動力試驗,根據(jù)定理推導出模型橋與實橋的頻率相似關(guān)系,進而對模型橋試驗結(jié)果與實橋測試結(jié)果進行分析比較,證明提出的相似關(guān)系正確,試驗數(shù)據(jù)可信,并提出提高該橋低階自振頻率、提高橋面系剛度的建議。關(guān)鍵詞:系桿拱橋;相似理論;模型試驗;自振頻率中圖分類號:U448.225;U446文獻標志碼:A文章編號:1671-77

2、67(2010)02-0049-031工程概況模型橋與實橋的相應尺度之間具有統(tǒng)一的比例關(guān)新城黃河公路大橋位于312國道甘-青段,地系,即相同的縮尺比,則模型橋與實橋之間的頻率和處河口鎮(zhèn),是連接甘肅與青海、新疆省級公路的主要振型即可建立某種簡單的確定的關(guān)系,模型橋測量橋梁。該橋結(jié)構(gòu)形式為33.0m簡支T梁+64.0m到的數(shù)據(jù)即可根據(jù)條件換算成實橋上的數(shù)據(jù)。系桿拱+433.0m簡支T梁,橋梁行車道寬7.0m,人行道寬為0.75~1.5m,設計荷載為汽-13,2實橋與模型橋的相似關(guān)系驗算荷載為拖-60。其中的系桿拱橋是我國第一座要求得模型橋和實橋的動力相似關(guān)系,需

3、根據(jù)裝配式預應力鋼筋混凝土剛性系桿柔性拱橋,結(jié)構(gòu)定理求取無量綱關(guān)系組,即數(shù)。定理為:如果用設計采用前蘇聯(lián)公路設計院與列寧鐵道工程學院編無量綱量來表示物理方程,則總可以隨意地用n-k制的裝配式預應力混凝土系桿拱橋設計圖,技術(shù)規(guī)個無量綱量來表示,這里n為參與物理現(xiàn)象的量范采用前蘇聯(lián)標準,主梁跨徑62.4m,拱橋高度的個數(shù),k為基本量綱的個數(shù),n-k為導出量的個[2]13.65m,縱梁高1.8m;構(gòu)件及接頭混凝土均為50數(shù)。號,縱梁、行車道板、吊桿均采用預應力結(jié)構(gòu),其預應假設結(jié)構(gòu)的自振頻率與結(jié)構(gòu)幾何尺寸L、材力鋼筋采用5mm的高強鋼絲,極限強度為1200料的質(zhì)量密

4、度!、材料的彈性模量E有關(guān)。上述物~1700MPa,采用弗氏錨具,鋼輥軸支座;全部結(jié)理量可組成如下方程式:構(gòu)由125塊裝配式構(gòu)件組成,將預制好的構(gòu)件運往f(,!,L,E)=0(1)現(xiàn)場拼裝后拖拉架設。選用質(zhì)量制即長度[L]、時間[T]、質(zhì)量[M]作該橋運營時間已超過40年,橋梁存在的主要問為基本量綱,則可得到:題是動力剛度較差,車輛過橋時橋梁的豎向振動較1E=(2)大,橋上行人的晃動感明顯。對該橋進行的測試及L![1]在相似的現(xiàn)象里,當從一個現(xiàn)象到另一個現(xiàn)象檢定結(jié)果也表明:該橋為病害橋梁,系桿拱結(jié)構(gòu)的[3]動力剛度較差,基本自振周期較大,實測沖擊系數(shù)為轉(zhuǎn)變時

5、,是不變的。由此可以得到實橋與模型1.421,大于規(guī)范計算值1.030,在活載作用下,結(jié)構(gòu)橋頻率的相似關(guān)系為:振動明顯,應對系桿拱結(jié)構(gòu)進行加固改造,提高其橫p1Ep1Em1瘍E==(3)向和豎向剛度,以降低系桿拱橋的橫向和豎向自振mLp!p/Lm!m瘍L瘍p周期。式中,各參數(shù)中下標m表示模型橋,p表示實橋;瘍L為系統(tǒng)地研究該橋的動力特性,對其進行了理為實橋與模型橋的幾何相似常數(shù);瘍E為彈性模量相論分析和模型試驗。在模型橋的動力試驗中,要求似常數(shù);瘍p為質(zhì)量密度相似常數(shù)。收稿日期:2009-11-23作者簡介:張濤(1968-),男,高級工程師,2006年畢業(yè)

6、于同濟大學土木工程學院,獲碩士學位,現(xiàn)為同濟大學經(jīng)濟管理學院建設工程管理專業(yè)博士研究生(Email:645819349@qq.com)。50世界橋梁2010年第2期3模型試驗3.1模型試驗方法動力特性的測試采用人工激振和脈動分析2種方法。激振法測試模型橋動力特性試驗中首先要確定激勵點的位置。為了保證系統(tǒng)的可辨識性(可控和可觀),一般要求激勵點不應靠節(jié)點或節(jié)線太[3]近。這就要求最佳激勵點的位移響應值不等于零。根據(jù)系桿拱橋的結(jié)構(gòu)特點,通過計算人工激振圖1全橋試驗模型采用激振器分別在跨中和1/4跨進行,通過加速度傳感器和電阻應變片捕捉結(jié)構(gòu)低階共振頻率即為其自振頻

7、率。加速度傳感器分別布置在1/4跨、3/4跨及跨中等關(guān)鍵截面。脈動分析是對每一測點的脈動信號作頻率響應函數(shù):H(f)=Gyx/Gxx(f)(4)式中,Gyx為互功率譜密度函數(shù);Gxx為自功率譜密度函數(shù)。圖2模型橋振型通過對響應函數(shù)的分析,綜合測點的分析結(jié)果,也是可信的。模型橋的豎向第1階振型為1個正弦得到結(jié)構(gòu)的自振模態(tài)。波振動,如圖2(a)所示,根據(jù)文獻[3]所述原則,該3.2模型制作振型的最佳激勵點在1/4跨處。模型橋的豎向第2為了便于加工制作,保證試驗結(jié)果有較高的精階振型為半個正弦波振動,如圖2(b)所示,該振型度,制作模型的材料選用勻質(zhì)性較好、彈性模量

8、較低的最佳激勵點在跨中位置。的有機玻璃。模型比例為1