预应力混凝土系杆拱桥动载试验评定分析

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发布时间：2021-09-04

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预应力混凝土系杆拱桥动载试验评定分析
王刚，彭献
(湖南大学机械与运载工程学院工程力学系，湖南长沙410082)
[摘要]为了解上海市某预应力混凝土系杆拱桥成桥后桥梁结构的动力特性及结构整体的运营质量，为该
桥的竣工验收及日后的养护管理提供技术依据，特对该系杆拱桥进行了现场动力荷载试验，对桥梁结构的主要控
制断面进行了多种工况荷载作用下的动力性能测试，重点对桥梁结构整体试验模态进行了测试分析，同时结合有
限元分析方法对该桥进行了理论分析计算。动载试验及理论分析结果表明，该系杆拱桥结构的整体刚度及动力性
能均能满足设计要求，只要加强日常管理养护，即可获得较好的运营质量。
[关键词】系杆拱桥；动载试验；动力特性；运营管理
[中图分类号】U 448．22 5 [文献标识码】A [文章编号】1674—0610(2013)05—0038—06
Analysis of the Dynamical Load Test and Structural Evaluation
of Through Tied Arch Bridge
W ANG Gang，PENG Xian
(College of Mechanical and Vehicle Engineering，Hunan University，Changsha，Hunan 4 1 0082，China)
[Abstract]In order to get dynamic performance and operation qulity of a newly．buihed tied arch
bridge in Shanghai，provide the technical suppo~s for the completion acceptance and maintenance man—
agement in days to come．This paper introduces the dynamic load test and the theory analysis of this
bridge，especially the process of modal test．The results indicated that all dynamic performances and struc—
tural stiffness lives up to the meet of codes and design，and get a good operation qulity as long as strengthen
the daily maintenance．
[Key words]tied arch bridge；dynamic load test；dynamic performance；operation management
近年来，随着公路大规模建设的开展，桥梁数量
迅猛增加，在现役桥梁中，由于使用荷载等级、外界
环境以及结构自身缺陷等因素的影响，使得桥梁使
用性能衰退、结构安全与耐久性降低等一系列问题
Et渐突出，因而通过先进、实用、有效的方法对桥梁
结构进行合理的试验检测与诊断评估成为现役桥梁
进行预防性养护管理以及科学维修加固的重要手段
和依据 o
桥梁荷载试验是针对桥梁结构进行直接加载测
试的一项特殊的科学试验工作，是现役及新建桥梁
结构实际承载能力及运营质量好坏最有效、最具说
服力的评定方法。桥梁荷载试验按性质可分为静载
和动载试验两种。桥梁动载试验主要用于综合了解
桥梁结构自身的动力特性以及结构抵抗强迫振动和
突发荷载作用的能力，同时也可为使用阶段的结构
评估积累原始数据。桥梁动载试验主要包括脉动试
验(模态试验)和强迫振动试验两部分内容，分别用
于测试桥梁结构的固有振动特性(固有频率、模态
振型及结构阻尼比等)和结构动力响应(位移幅值、
应力振幅、加速度及动力冲击系数等) 。。。国内外
专家学者在桥梁结构动力荷载试验方面针对不同结
构类型的桥梁已经做了大量的研究工作，并取得了
许多重要成果。‘ ，但就桥梁结构模态试验测试方
法及模态参数识别原理而言，目前尚未形成十分完
善的理论成果，选择不同的测试手段及识别方法所
得到的桥梁结构模态参数及振型往往会存在差异。
因此，只有在工程实践中通过不断的尝试和积
累才能够为桥梁结构模态参数识别理论的发展和完
善提供更多的依据。本文以一座新建预应力混凝土
系杆拱桥的现场竣工荷载试验为背景，详细介绍了
【收稿日期】20l2一l2一l7
[基金项目]国家自然科学基金(11032004／A0202)；国家自然科学基金(II172093／A020202)，(51175161／E050603)资助
[作者简介]王刚(1987一)，男，iU东德州人，在读硕士研究生，主要从事桥梁结构振动方面的研究。
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第5期王刚，等：预应力混凝土系杆拱桥动载试验评定分析 39
该桥动载试验的具体过程及试验成果，并基于谱峰
值法和随机子空间法对该系杆拱进行了结构模态振
动频率和振型识别，同时结合有限元理论分析结果
对该桥结构的整体刚度及动力性能进行了技术评
定，希望能为今后同类桥梁的试验检测评估工作提
供一定的借鉴和参考价值。
1 工程概况
上海市某拱桥上部结构采用单跨下承式预应力
混凝土系杆拱，为刚性系杆刚性拱柔性吊杆结构，系
杆长88．6 m，计算跨径L=86．0 m，拱轴线为二次抛
物线，矢跨比为1／5，矢高为17．2 m。拱肋采用变
高度矩形钢管混凝土截面，拱肋截面高度由拱顶
2．0 m渐变至拱脚2．5 m，拱肋宽度为1．2 m；系杆
采用等截面箱梁，箱梁高2．3 m，宽1．2 m；每片拱肋
间设有l5根吊杆，间距5．0 m，采用OVMLZM7—73
(K)I型以及OVMLZM7—85(K)I型吊杆；两拱肋
间设四道K字形风撑，风撑采用钢管结构，直径为
1．0 m；两系杆间共设有17道横梁，其中两端横梁高
度为2．0 m，中横梁高度为1．8 m。桥面总宽为18．
0 m，设计荷载等级为：公路一I级，人群荷载为3．
5 kN／m
2 动载试验测试原理
2．1 脉动试验
脉动试验又称模态试验(EMA，Experimental
Modal Analysis)，即模态分析的实验过程，其主要流
程是先利用实验测得激励和响应的时间历程，运用
数字信号处理技术求得频响函数(传递函数)或脉
冲响应函数，得到系统的非参数模型；其次，运用参
数识别方法，求得系统模态参数。对于桥梁结构而
言，传统的频域分析法是通过测定结构的频率响应
函数(FRF)来识别模态参数，但由于试验所需设备
复杂，且激励信号难以实施和测定，从而使得其应用
受到限制；而普通的信号谱分析方法也只能得到结
构的低阶频率特性，无法确定结构全部频率成份及
阻尼特性，其精度通常也不高。环境随机激振法，也
称脉动法，是指桥梁结构利用外界环境如自然风、地
壳微弱颤动等因素引起的扰动作为激振源来测定结
构动力特性的一种方法，环境激振法虽然引起结构
振动的振幅极为微小，但其脉动响应所包含的频率
成份相当丰富，而且该方法也不受结构形式和大小
的限制，特别适用于测量结构整体的自振特性。
利用脉动法测试桥梁结构的固有模态，其测试
原理简述如下：首先，根据测试需要，在桥梁上布置
拾振仪(如加速度度、速度或位移传感器)，同步采
集信号，将环境中的各种扰动视为输入信号，大桥被
视为放大器，它对输人信号中，接近或等于其固有频
率的分量作出响应，并阻尼其它分量；传感器采集到
的信号被视为大桥输出信号，将其变换到频域。峰
值将对应于桥梁的固有频率。由于采用环境随机激
励测试时，无法控制和测量输入信号，为防止输入信
号中某些过大的频率分量造成伪峰，可选取一个参
考点，将各采集点的信号频率上的各点分别除以参
考点频域上对应各点，得到相对幅值和相位差。这
样就消除了伪峰的干扰，可以根据