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1、刚性系杆柔性拱桥模型试验研究张涛49刚性系杆柔性拱桥模型试验研究张涛(同济大学,上海200092)摘要:新城黄河公路大桥为装配式预应力钢筋混凝土系杆拱桥,桥梁运营时间超过40年,在活载作用下存在明显的结构振动病害。为系统研究该桥动力特性,制作该桥模型进行动力试验,根据定理推导出模型桥与实桥的频率相似关系,进而对模型桥试验结果与实桥测试结果进行分析比较,证明提出的相似关系正确,试验数据可信,并提出提高该桥低阶自振频率、提高桥面系刚度的建议。关键词:系杆拱桥;相似理论;模型试验;自振频率中图分类号:U448.225;U446文献标志码:A文章编号:1671-77
2、67(2010)02-0049-031工程概况模型桥与实桥的相应尺度之间具有统一的比例关新城黄河公路大桥位于312国道甘-青段,地系,即相同的缩尺比,则模型桥与实桥之间的频率和处河口镇,是连接甘肃与青海、新疆省级公路的主要振型即可建立某种简单的确定的关系,模型桥测量桥梁。该桥结构形式为33.0m简支T梁+64.0m到的数据即可根据条件换算成实桥上的数据。系杆拱+433.0m简支T梁,桥梁行车道宽7.0m,人行道宽为0.75~1.5m,设计荷载为汽-13,2实桥与模型桥的相似关系验算荷载为拖-60。其中的系杆拱桥是我国第一座要求得模型桥和实桥的动力相似关系,需
3、根据装配式预应力钢筋混凝土刚性系杆柔性拱桥,结构定理求取无量纲关系组,即数。定理为:如果用设计采用前苏联公路设计院与列宁铁道工程学院编无量纲量来表示物理方程,则总可以随意地用n-k制的装配式预应力混凝土系杆拱桥设计图,技术规个无量纲量来表示,这里n为参与物理现象的量范采用前苏联标准,主梁跨径62.4m,拱桥高度的个数,k为基本量纲的个数,n-k为导出量的个[2]13.65m,纵梁高1.8m;构件及接头混凝土均为50数。号,纵梁、行车道板、吊杆均采用预应力结构,其预应假设结构的自振频率与结构几何尺寸L、材力钢筋采用5mm的高强钢丝,极限强度为1200料的质量密
4、度!、材料的弹性模量E有关。上述物~1700MPa,采用弗氏锚具,钢辊轴支座;全部结理量可组成如下方程式:构由125块装配式构件组成,将预制好的构件运往f(,!,L,E)=0(1)现场拼装后拖拉架设。选用质量制即长度[L]、时间[T]、质量[M]作该桥运营时间已超过40年,桥梁存在的主要问为基本量纲,则可得到:题是动力刚度较差,车辆过桥时桥梁的竖向振动较1E=(2)大,桥上行人的晃动感明显。对该桥进行的测试及L![1]在相似的现象里,当从一个现象到另一个现象检定结果也表明:该桥为病害桥梁,系杆拱结构的[3]动力刚度较差,基本自振周期较大,实测冲击系数为转变时
5、,是不变的。由此可以得到实桥与模型1.421,大于规范计算值1.030,在活载作用下,结构桥频率的相似关系为:振动明显,应对系杆拱结构进行加固改造,提高其横p1Ep1Em1瘍E==(3)向和竖向刚度,以降低系杆拱桥的横向和竖向自振mLp!p/Lm!m瘍L瘍p周期。式中,各参数中下标m表示模型桥,p表示实桥;瘍L为系统地研究该桥的动力特性,对其进行了理为实桥与模型桥的几何相似常数;瘍E为弹性模量相论分析和模型试验。在模型桥的动力试验中,要求似常数;瘍p为质量密度相似常数。收稿日期:2009-11-23作者简介:张涛(1968-),男,高级工程师,2006年毕业
6、于同济大学土木工程学院,获硕士学位,现为同济大学经济管理学院建设工程管理专业博士研究生(Email:645819349@qq.com)。50世界桥梁2010年第2期3模型试验3.1模型试验方法动力特性的测试采用人工激振和脉动分析2种方法。激振法测试模型桥动力特性试验中首先要确定激励点的位置。为了保证系统的可辨识性(可控和可观),一般要求激励点不应靠节点或节线太[3]近。这就要求最佳激励点的位移响应值不等于零。根据系杆拱桥的结构特点,通过计算人工激振图1全桥试验模型采用激振器分别在跨中和1/4跨进行,通过加速度传感器和电阻应变片捕捉结构低阶共振频率即为其自振频
7、率。加速度传感器分别布置在1/4跨、3/4跨及跨中等关键截面。脉动分析是对每一测点的脉动信号作频率响应函数:H(f)=Gyx/Gxx(f)(4)式中,Gyx为互功率谱密度函数;Gxx为自功率谱密度函数。图2模型桥振型通过对响应函数的分析,综合测点的分析结果,也是可信的。模型桥的竖向第1阶振型为1个正弦得到结构的自振模态。波振动,如图2(a)所示,根据文献[3]所述原则,该3.2模型制作振型的最佳激励点在1/4跨处。模型桥的竖向第2为了便于加工制作,保证试验结果有较高的精阶振型为半个正弦波振动,如图2(b)所示,该振型度,制作模型的材料选用匀质性较好、弹性模量
8、较低的最佳激励点在跨中位置。的有机玻璃。模型比例为1
