人行懸索橋動荷載試驗技術(shù)研究

1、人行懸索橋動荷載試驗技術(shù)研究0 引言橋梁結(jié)構(gòu)在移動的車輛、人群、風力和地震等動力荷載作用下會產(chǎn)生振動。受這些動力荷載因素的影響，橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的動力效應(yīng)往往大于其靜止作用在橋上所產(chǎn)生的靜力效應(yīng)。因為本橋為人行懸索橋，并且沿線沒有汽車道路通至橋面上，常規(guī)的以汽車荷載為動力荷載的動載實驗無法舉行。為此，提出了以人行、人群跑動、和人車共同耦合作用下的動力荷載實驗技術(shù)。同時，本次動載實驗還采用環(huán)境鼓勵方式，檢測本人行懸索橋的固有頻率和振動模型。利用DH3817動靜態(tài)應(yīng)變測試分析系統(tǒng)，測量動載作用下該橋指定斷面上的動應(yīng)變或指定動撓度，并按照測的數(shù)據(jù)決定橋梁的沖擊系數(shù)和動態(tài)增量。1 動力荷載實驗的內(nèi)容動態(tài)荷

2、載實驗主要是從動力的角度動身，通過記錄和處理在動荷載作用下結(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)。動載實驗主要是測試橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性、速度時程響應(yīng)和受迫振動特性。按照本人行懸索橋的實際狀況，動力荷載實驗的內(nèi)容包括：最大振撓度、橋梁結(jié)構(gòu)的振動應(yīng)變、振動頻率、橋梁動力沖擊系數(shù)、橋梁結(jié)構(gòu)的阻尼特性等。2 動力荷載實驗的方法自振特性測試采用勻速人行、加速人群跑動、人車（手推車）共同耦合跑動、和人車共同耦合跳過障礙、人車共同耦合跳過障礙急停的方式。鑒于檢測橋梁為大跨度人行懸索橋，跑車測試利用一輛分離載重150kg、300kg的雙輪手推車，以慢速（1.2m/s）和迅速（2.4m/s）

3、的速度勻速在檢測橋跨行駛；行人測試是利用不用數(shù)量的人群以慢速（1.2m/s）和小跑（3m/s）的速度勻速在檢測橋跨行走；跳車測試是利用一輛載重300kg的雙輪手推車，使其分離以慢速（1.2m/s）和迅速（2.4m/s）在一高約10cm的墊塊上自由下落；剎車測試是利用一輛載重300kg的雙輪手推車，以迅速（2.4m/s）速度在跨中剎車。動載實驗采用DH3817動態(tài)信號采集分析儀舉行。動載測試時傳感器布置在橋梁的跨中，傳感器布置以及觀測設(shè)備見圖1。動力荷載實驗鼓勵工況如表1所示。3 結(jié)構(gòu)動力理論分析橋梁結(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

4、性質(zhì)主要包括結(jié)構(gòu)的組成形式、質(zhì)量分布、剛度、支撐狀況、材料性質(zhì)等。結(jié)構(gòu)動力特性作為結(jié)構(gòu)的基本特性，是舉行結(jié)構(gòu)分析必需的參數(shù)。同時因為橋梁結(jié)構(gòu)受到動荷載作用，其各項參數(shù)會發(fā)生變化，比如振幅、應(yīng)力、位移、加速度以及反映結(jié)構(gòu)整體動力的沖擊系數(shù)等。因此可知，通過分析結(jié)構(gòu)動力特性能夠清晰地把握橋梁結(jié)構(gòu)在動荷載作用下的受力狀態(tài)及動力作用對行人的舒服性。而分析結(jié)構(gòu)動力特性最有效的方式是舉行橋梁結(jié)構(gòu)的動載實驗，從實驗中獲得數(shù)據(jù)，通過分析和處理數(shù)據(jù)發(fā)覺橋梁振動的內(nèi)在邏輯，進而了解和把握橋梁結(jié)構(gòu)的動力性能。利用動載實驗，我們可以獲得大量橋梁結(jié)構(gòu)振動系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)，即各種振動量。直接對這些數(shù)據(jù)舉行分析很難發(fā)覺結(jié)構(gòu)振動

5、的性質(zhì)和邏輯，由于結(jié)構(gòu)振動很復雜，而且隨機。此時要想獲得結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能，還需對獲得的數(shù)據(jù)舉行須要的分析和處理。因為橋梁結(jié)構(gòu)是一個具有繼續(xù)分布質(zhì)量的體系，即自由度體系無窮大，而自由度數(shù)目與其振型的數(shù)目全都，也就意味著橋梁結(jié)構(gòu)的固有頻率以及相應(yīng)的振型有無限多個。盡管如此，在實際的動力分析過程中只需選取第一固有頻率即可，即使是非常須要的狀況也只需抉擇前面幾個固有頻率即可。動載的沖擊系數(shù)是動載在在橋面前進時對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的豎向動力效應(yīng)的增大系數(shù)。在動荷載作用下，測定橋梁結(jié)構(gòu)某些部位的振動參數(shù)時，首先綜合各項實驗條件和結(jié)構(gòu)形式舉行測點布置，之后抉擇適當?shù)膬x器舉行測試。在動荷載作用下，動撓度與靜撓度的比值

6、是活荷載的沖擊系數(shù)，而活載沖擊系數(shù)綜合反映了荷載對橋梁的動力作用，因此務(wù)必對活載沖擊系數(shù)加以測定和記錄。用對數(shù)衰減率或阻尼比D來表示橋梁結(jié)構(gòu)的阻尼特性， 依據(jù)振動理論發(fā)覺，對數(shù)衰減率為式中，At，At+1分離為相鄰兩個波的振幅值，從衰減曲線上直接量取即可。通常在詳細的實驗中，常在衰減曲線上量取多個波形，本文量取的是三個，求得平均衰減率依據(jù)振動理論發(fā)覺，對數(shù)衰減率與阻尼比的關(guān)系為通常狀況下阻尼比都很小，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，阻尼比和振動衰減之間是正比的關(guān)系，阻尼比越小，振動衰減越慢，反之，相反。活載沖擊系數(shù)綜合地反映了動力荷載對橋梁結(jié)構(gòu)的動力作用。因

7、此有須要測定橋梁結(jié)構(gòu)的沖擊系數(shù)，詳細的做法是安頓水桶以不同的速度駛過橋梁，逐次記錄跨中截面的撓度時程曲線，根據(jù)沖擊系數(shù)的定義有 式中：Ysmax：最大靜撓度值；Ydmax：最大動撓度值。因為在動力荷載作用下，橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動包含多個頻率，且是隨機的，無法用一個詳細的函數(shù)來描述，也就無從知曉結(jié)構(gòu)的振動邏輯。隨機數(shù)據(jù)具有不規(guī)章性、不決定性等特點。樣本是指隨機變量的單個實驗，樣本記錄是指每次單個實驗的時光歷程曲線，隨機過程是指同一實驗的多個實驗的樣本集合或總體。雖然在單個觀測樣本中隨機數(shù)據(jù)具有很強的不決定性和不規(guī)章性，但是對于大量樣本的集合來說，還是存在一定的邏輯的。4 實驗結(jié)果分析實驗荷載效應(yīng)理

8、論值采用橋梁結(jié)構(gòu)分析專用程序Midas/Civil 201計算得到。比較橋梁結(jié)構(gòu)頻率的理論計算值與實測值，若實測值大于理論計算值，說明橋梁結(jié)構(gòu)實際剛度較大，反之，則相反，此時很可能消失意外狀況。需要留意的是在舉行理論計算時，因為諸多客觀因素的限制，應(yīng)使實測值小于理論計算值。參考按照動力沖擊系數(shù)的實測值，可把握橋梁結(jié)構(gòu)的通行性能，當實測沖擊系數(shù)較大時，說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。阻尼比和振動衰減之間是正比的關(guān)系，阻尼比越小，振動衰減越慢，反之，相反。但需留意將阻尼比保持在合理的范圍內(nèi)，避開過猶不及。動載實驗主要結(jié)果部分里程曲線及頻譜圖，如圖2所示。5 結(jié)論動載實驗可以得出如下結(jié)論：由勻速跑車、跨中剎車和跨中跳車的實測速度時程曲線及頻譜數(shù)據(jù)可知，該橋橋梁，振動響應(yīng)較小，阻尼比在0.03-0.06之間，滿意要求，工作性能良好。通過對人行懸索橋的動荷載實驗，在荷載效率系數(shù)q滿意相關(guān)規(guī)范標準的基礎(chǔ)上，實驗橋梁滿意設(shè)計強度要求，檢測橋跨的變形符合設(shè)計剛度規(guī)定，能夠在正常彈性范圍內(nèi)工作。橋梁工程實體檢測及常規(guī)檢測均滿意相關(guān)規(guī)范標準，此外，橋梁的動態(tài)性能也滿意要求。因