人行悬索桥动荷载试验技术研究
2018-02-22
0 引言
桥梁结构在移动的车辆、人群、风力和地震等动力荷载作用下会产生振动。受这些动力荷载因素的影响，桥梁结构产生的动力效应往往大于其静止作用在桥上所产生的静力效应。由于本桥为人行悬索桥，并且沿线没有汽车道路通至桥面上，常规的以汽车荷载为动力荷载的动载试验无法进行。为此，提出了以人行、人群跑动、和人车共同耦合作用下的动力荷载试验技术。同时，本次动载试验还采用环境激励方式，检测本人行悬索桥的固有频率和振动模型。利用DH3817动静态应变测试分析系统，测量动载作用下该桥指定断面上的动应变或指定动挠度，并根据测的数据确定桥梁的冲击系数和动态增量。
1 动力荷载试验的内容
动态荷载试验主要是从动力的角度出发，通过记录和处理在动荷载作用下结构的固有基频、振型、冲击系数等参数，分析结构各方面的性质。动载试验主要是测试桥梁结构的自振特性、速度时程响应和受迫振动特性。
根据本人行悬索桥的实际情况，动力荷载试验的内容包括：最大振挠度、桥梁结构的振动应变、振动频率、桥梁动力冲击系数、桥梁结构的阻尼特性等。
2 动力荷载试验的方法
自振特性测试采用匀速人行、加速人群跑动、人车（手推车）共同耦合跑动、和人车共同耦合跳过障碍、人车共同耦合跳过障碍急停的方式。鉴于检测桥梁为大跨度人行悬索桥，跑车测试利用一辆分别载重150kg、300kg的双轮手推车，以慢速（1.2m/s）和快速（2.4m/s）的速度匀速在检测桥跨行驶；行人测试是利用不用数量的人群以慢速（1.2m/s）和小跑（3m/s）的速度匀速在检测桥跨行走；跳车测试是利用一辆载重300kg的双轮手推车，使其分别以慢速（1.2m/s）和快速（2.4m/s）在一高约10cm的垫块上自由下落；刹车测试是利用一辆载重300kg的双轮手推车，以快速（2.4m/s）速度在跨中刹车。动载试验采用DH3817动态信号采集分析仪进行。动载测试时传感器布置在桥梁的跨中，传感器布置以及观测设备见图1。动力荷载试验激励工况如表1所示。
3 结构动力理论分析
桥梁结构的振型、阻尼系数、固有频率等动力特性主要受其固有性质影响，与结构的其他性质关联不大，其中固有性质主要包括结构的组成形式、质量分布、刚度、支撑情况、材料性质等。结构动力特性作为结构的基本特性，是进行结构分析必需的参数。同时由于桥梁结构受到动荷载作用，其各项参数会发生变化，比如振幅、应力、位移、加速度以及反映结构整体动力的冲击系数等。因此可知，通过分析结构动力特性能够清楚地掌握桥梁结构在动荷载作用下的受力状态及动力作用对行人的舒适性。而分析结构动力特性最有效的方式是进行桥梁结构的动载试验，从试验中获得数据，通过分析和处理数据发现桥梁振动的内在规律，进而了解和掌握桥梁结构的动力性能。
利用动载试验，我们可以获得大量桥梁结构振动系统相关数据，即各种振动量。直接对这些数据进行分析很难发现结构振动的性质和规律，因为结构振动很复杂，而且随机。此时要想获得结构的动态性能，还需对获得的数据进行必要的分析和处理。
由于桥梁结构是一个具有连续分布质量的体系，即自由度体系无穷大，而自由度数目与其振型的数目一致，也就意味着桥梁结构的固有频率以及相应的振型有无限多个。尽管如此，在实际的动力分析过程中只需选取第一固有频率即可，即使是十分必要的情况也只需选择前面几个固有频率即可。
动载的冲击系数是动载在在桥面前进时对桥梁结构产生的竖向动力效应的增大系数。在动荷载作用下，测定桥梁结构某些部位的振动参数时，首先综合各项试验条件和结构形式进行测点布置，之后选择适当的仪器进行测试。在动荷载作用下，动挠度与静挠度的比值是活荷载的冲击系数，而活载冲击系数综合反映了荷载对桥梁的动力作用，因此必须对活载冲击系数加以测定和记录。
用对数衰减率δ或阻尼比D来表示桥梁结构的阻尼特性， 依据振动理论发现，对数衰减率为
式中，At，At+1分别为相邻两个波的振幅值，从衰减曲线上直接量取即可。通常在具体的试验中，常在衰减曲线上量取多个波形，本文量取的是三个，求得平均衰减率
依据振动理论发现，对数衰减率与阻尼比的关系为
通常情况下阻尼比都很小，因此，式（3）可近似为
桥梁结构的阻尼比通常在0.01-0.08之间，阻尼比和振动衰减之间是正比的关系，阻尼比越小，振动衰减越慢，反之，相反。
活载冲击系数综合地反映了动力荷载对桥梁结构的动力作用。因此有必要测定桥梁结构的冲击系数，具体的做法是安排水桶以不同的速度驶过桥梁，逐次记录跨中截面的挠度时程曲线，按照冲击系数的定义有 式中：Ysmax：最大静挠度值；
Ydmax：最大动挠度值。
由于在动力荷载作用下，桥梁结构产生的振动包含多个频率，且是随机的，无法用一个具体的函数来描述，也就无从知晓结构的振动规律。随机数据具有不规则性、不确定性等特点。样本是指随机变量的单个试验，样本记录是指每次单个试验的时间历程曲线，随机过程是指同一试验的多个试验的样本集合或总体。虽然在单个观测样本中随机数据具有很强的不确定性和不规则性，但是对于大量样本的集合来说，还是存在一定的规律的。
4 试验结果分析
①试验荷载效应理论值采用桥梁结构分析专用程序Midas/Civil 201计算得到。比较桥梁结构频率的理论计算值与实测值，若实测值大于理论计算值，说明桥梁结构实际刚度较大，反之，则相反，此时很可能出现意外情况。需要注意的是在进行理论计算时，由于诸多客观因素的限制，应使实测值小于理论计算值。
②参考根据动力冲击系数的实测值，可掌握桥梁结构的通行性能，当实测冲击系数较大时，说明桥面的平整程度不良，桥梁结构的通行能力差，反之亦然。
③阻尼比和振动衰减之间是正比的关系，阻尼比越小，振动衰减越慢，反之，相反。但需注意将阻尼比保持在合理的范围内，避免过犹不及。
动载试验主要结果部分里程曲线及频谱图，如图2所示。
5 结论
动载试验可以得出如下结论：由匀速跑车、跨中刹车和跨中跳车的实测速度时程曲线及频谱数据可知，该桥桥梁，振动响应较小，阻尼比在0.03-0.06之间，满足要求，工作性能良好。通过对人行悬索桥的动荷载试验，在荷载效率系数ηq满足相关规范标准的基础上，试验桥梁满足设计强度要求，检测桥跨的变形符合设计刚度规定，能够在正常弹性范围内工作。桥梁工程实体检测及常规检测均满足相关规范标准，此外，桥梁的动态性能也满足要求。因此，所测桥跨质量良好，其承载能力达到设计要求。
由于本桥的大跨度人行悬索桥。并位于两山的山顶，没有行车的道路，荷载的运输与加载非常困难。但通过充分的技术方法的措施，顺利而圆满地完成了本桥的荷载试验，并达到了预期的结果。本检测方法具有很好的推广应用价值。
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