一般桥梁结构动力性能数据分析研究

　文章编号：１６７３－６０５２（２０１８）０７－００７６－０３　　　　　　ＤＯＩ：１０．１５９９６／ｊ．ｃｎｋｉ．ｂｆｊｔ．２０１８．０７．０１９

一般桥梁结构动力性能数据分析研究

陈晓明

（沈阳市市政工程设计研究院有限公司　沈阳市　１１００１５）

　　摘　要：桥梁的长期监测、定期检测以及荷载试验已经纳入到日常的市政管养程序中，而荷载试验中，动载试验所测试的桥梁动力性能是评价桥梁稳定性和承载能力的重要指标之一。以常见的简支梁桥和连续梁桥为例，深入探讨桥梁动载试验测试项目的数据分析方法，为同类桥梁动载检测试验提供参考。　　关键词：桥梁结构；动力性能；基频；冲击系数；阻尼比

中图分类号：Ｕ４４１　　　　　　文献标识码：Ｂ

１　桥梁动载试验项目的确定

桥梁是承受动荷载的结构物，不仅要研究桥梁本身动力特性，还要研究车辆移动荷载引起的振动等问题，测定桥梁动力性能参数是桥梁动载试验的基础内容。本文主要围绕动力性能参数展开对桥梁结构动力性能的测试项目及数据处理的研究，一般简支桥梁及连续梁桥的主要测试参数有桥梁基频、冲击系数、阻尼比。

２　桥梁动载测试项目数据分析２．１　桥梁基频定义及内容

桥梁的基频即为自振固有频率，桥梁基频关系到是不是易于遭受某种频率外载荷的共振破坏，基频是动力特性参数中最重要的指标，基频是指桥梁在没有外部动力的作用下形成的振动，其单位为赫Ｈｚ）。常用的测振传感器分磁电式测振传感器、兹（

压电式传感器及伺服式测振传感器三种。试验时根据与传感器所连接的电脑数据采集软件时域图可以看出桥梁的振动情况，然后再按照一定的数学函数关系转化成频域图，即可直观看到固有频率（基频），测试时间越长，所测得的数值越接近桥梁的基频。

由图１某桥梁的频域图看出，该桥梁的实测基频为４．３Ｈｚ。通常我们测得的频率为１阶频率，对１阶频率就是于一般的简支梁桥和连续梁桥来说，

沿着最小惯性矩（竖向）方向的振动，对于一般桥梁而言，研究竖向振动才有意义。而一般桥梁的理论

图１　某桥梁频域图

计算基频则用有限元法进行计算。具体的计算公式在桥梁规范中，这里不再列举出。值得注意的是随着各种桥梁计算软件的发展，可以直接通过软件Ｍｉｄａｓ等计算出桥梁理论基频。２．２　桥梁基频数据结果分析

单次试验的基频实测值与均值的偏差不应超过±３％，一般试验测得基频数值大于计算理论基频数值则认为桥梁刚度满足桥梁正常运营，在《公路桥梁承载能力检测评定规程》ＪＴＧ／ＴＪ２１－２０１１中规定了桥梁自振频率的评定标度，上部结构实测基频与理论计算基频比值≥１．１、［１．００，１．１０）、［０．９０，１．００）、［０．７５，０．９０）、＜０．７５所对应的评定标度为１、２、３、４、５。由大量试验得出基频与质量成反比，与跨长成反比，与刚度成正比。

２．３　桥梁冲击系数与阻尼比定义及内容

冲击系数是设计汽车组合荷载所乘的考虑汽车制动力作用的一个系数，是车辆荷载对桥梁的动力作用，在结构设计中是不容忽视的因数，直接影响桥

２０１８年　第７期　　　　　　　　　　　　陈晓明：一般桥梁结构动力性能数据分析研究—７７—

梁的安全性和设计的合理性。阻尼比是消耗结构振动的物理量，它对结构抗振有利。测试桥梁实际的动力性能一般试验工况为跑车、跳车、刹车。跑车工况为加载车辆以１０～５０ｋｍ／ｈ的速度依次通过桥梁，主要测试桥梁在一般运营的情况下，桥梁的实际冲击系数；跳车工况为加载车以１０～３０ｋｍ／ｈ的速度依次通过５～７ｃｍ高跳板，主要测试桥梁阻尼比；刹车工况为加载车辆以１０～３０ｋｍ／ｈ的速度依次通过桥梁时紧急制动，主要测试桥梁的动力反应。

如一辆车击振直观，数据稳定。桥梁实测冲击系数＝（动挠度／静挠度）－１或＝（动应变／静挠度）－１，这就要求在试验跨安装挠度计或粘贴应变片，并结合静载试验来采集动挠度和静挠度或动应变和静应变来计算出桥梁的实际冲击系数。一般挠度定义实测的冲击系数＞应力定义实测的冲击系数。

实测阻尼比常用波形分析法计算公式计算，并采用多次试验的均值，且单次试验的实测结果与均２０％。值的偏差不应超过±

以上跑、跳、刹车试验均采用同一辆车，因多辆车会给桥梁带来更多击振，很多击振会相互抵消，不

图２　某桥跑车时域图

图４　某桥跳车时域图

　　如图２、图３、图４所示，为某桥的跑车、刹车、跳车的试验时域图示例，经过大量的试验总结出桥梁的实测冲击系数与试验车的速度、试验车质量、桥梁的跨径、桥面的平整度、桥梁结构形式、桥梁构件的关系，如表１所示。

总之影响冲击系数的因素很多，冲击系数本身也是无特点无规律的量。根据《公路桥涵设计通用规范》（ＪＴＧＤ６０－２０１５），桥梁设计结构理论冲击系数的取值为：

当ｆ＜１．５Ｈｚ时μ＝０．０５

当１．５Ｈｚ＜ｆ＜１４Ｈｚ时μ＝０．１７６７ｌｎｆ－０．０１５７当ｆ＞１４Ｈｚ时μ＝０．４５

２．４　实测冲击系数与阻尼比结果分析

图２～图５为某桥的动力性能试验时域图。

图３　某桥刹车时域图

图５　某桥部分跳车时域图

式中：ｆ—结构的基频（Ｈｚ）。

一般桥梁结构理论冲击系数实际是受外部击振作用下达到弯曲基频时的冲击系数，对于桥梁而言，汽车对桥梁的冲击系数实质上是车桥耦合的振动问题，而只有当桥梁结构在车辆激励作用下的冲击系数小于理论值时，其动力性能才满足设计要求。

如图５所示为跳车试验波形分析法的一段波形，利用波形分析法的计算公式可计算出桥梁实际的阻尼比。经过大量试验总结出实测阻尼比与振动速度、频率、冲击系数、跨径等因素关系如表２所示。

除了以上因素之外，阻尼比还与结构受力（压、弯、剪、扭）有关，而桥梁阻尼比在理论上比较复杂

—７８—

表１　冲击系数与影响因素的关系

冲击系数影响因素

冲击系数与影响因素关系描述

北方交通　　　　　　　　　　　　　　　２０１８年　第７期

性有关，单纯的理论计算只会加大误差，所以阻尼比理论值对桥梁抗震安全性意义不大，我们只关注试验值即可。对于桥梁结构而言，阻尼比越大，耗能越快，越不能引起共振。表３为大量试验总结出用阻尼比去粗略判断桥梁上部结构构件的裂缝情况。但具体裂缝情况要以桥梁实际观测情况为准。

表３　

桥梁结构类型普通混凝土桥梁预应力钢筋混凝土桥梁

钢桥

实测阻尼比范围

（％）

＜０．５＞１．０～２．０＜１．０＞１．０～２．０．１≤０

裂缝状态初判无明显裂缝有裂缝无明显裂缝有裂缝正常

１试验车车速

桥梁的冲击系数与车速无太大关系，不是车

速越快，冲击系数越大，只有试验车本身频率越接近桥梁的弯曲频率（基频）时，此时的冲击系数最大，经过大量实验证明，一般车速在２０～３０ｋｍ／ｈ时，冲击系数往往最大冲击系数随着试验车辆质量的增加而减小，尤其是跨径小的桥梁更加明显。因为汽车质量越大，则汽车本身自振频率越小，与桥梁实际的基频差值越大，所以冲击系数减小一般若为简支梁桥，则冲击系数随着跨径的增大而递减；若为连续梁桥，则冲击系数随着跨径的增大而递增

一般桥面越不平整，伸缩缝质量越差，则冲击系数越大

一般同跨径同宽度的简支梁桥冲击系数大于连续梁桥的冲击系数。也可以认为只要桥梁的结构形式、基频相同，在同种条件下汽车荷载的冲击系数基本相同

由于受到高阶自振频率的影响，支座附近断面的冲击系数大于其它断面。同等条件车辆行驶时简支桥铰缝处冲击系数大于梁板冲击系数

２试验车质量

３桥梁跨径

４桥面的平整度

３　结语

目前，对于大跨径桥梁尚无可靠的、分辨率能较好满足要求的动挠度测试设备。动挠度和动应变的时域曲线判断及结果处理受人为因素影响较大，这种影响尤其在小跨径桥梁行车试验中尤为显著。所以在分析实测基频、冲击系数、阻尼比数据时应加入历史数据对比，来避免个体偶然测值的差异，用历史数据的变化规律来判断桥梁的技术状况指标，对一些成桥动力性能参数的定量评估目前尚缺乏标准或规范。

参考文献

［１］　李国豪．桥梁结构稳定与振动［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，

２０１０．

［２］　宋一凡．公路桥梁动力学［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２０００．

５桥梁结构形式

６桥梁构件

表２　阻尼比与影响因素的关系

阻尼比影响因素１２３４

振动速度频率冲击系数跨径

阻尼比与影响因数关系描述

阻尼比与振动速度成正比

每个频率都有其对应的阻尼比，结构越往高

阶振动，阻尼比越高一般低阻尼比的桥梁冲击系数较大一般桥梁跨径越大，阻尼比越小

难以计算准确。因为阻尼本身与材料组成、结构特

ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＤａｔａＡｎａｌｙｓｉｓｏｎＤｙｎａｍｉｃＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＯｒｄｉｎａｒｙＢｒｉｄｇｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅ

ＣＨＥＮＸｉａｏｍｉｎｇ

（ＳｈｅｎｙａｎｇＭｕｎｉｃｉｐａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｓｉｎｇｎａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１００１５，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅｌｏｎｇ－ｔｅｒｍｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，ｐｅｒｉｏｄｉｃｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｌｏａｄｔｅｓｔｏｆｔｈｅｂｒｉｄｇｅｈａｖｅｂｅｅｎｂｒｏｕｇｈｔｉｎｔｏｔｈｅｄａｉｌｙｍｕｎｉｃｉｐａｌａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎｍａｎａｇｅｍｅｎｔａｎｄｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅｐｒｏｃｅｄｕｒｅ，ｗｈｅｒｅａｓｉｎｔｈｅｌｏａｄｔｅｓｔ，ｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｂｒｉｄｇｅｔｅｓｔｅｄｂｙｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｌｏａｄｔｅｓｔｉｓｏｎｅｏｆｉｍｐｏｒｔａｎｔｉｎｄｅｘｅｓｔｈａｔｅｖａｌｕａｔｅｔｈｅｂｒｉｄｇｅｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｂｅａｒｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙ．Ｔａｋｉｎｇｃｏｍｍｏｎｓｉｍｐｌｙｓｕｐｐｏｒｔｅｄｇｉｒｄｅｒｂｒｉｄｇｅｓａｎｄｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｇｉｒｄｅｒｂｒｉｄｇｅｓａｓｔｈｅｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅｄａｔａａｎａｌｙｓｉｓｍｅｔｈｏｄｓｆｏｒｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｌｏａｄｔｅｓｔｉｔｅｍｓｏｆｔｈｅｂｒｉｄｇｅａｒｅｆｕｒｔｈｅｒｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ｓｏａｓｔｏｐｒｏｖｉｄｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｌｏａｄｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎａｎｄｔｅｓｔｏｆｓｉｍｉｌａｒｂｒｉｄｇｅ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　Ｂｒｉｄｇｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；Ｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；Ｉｍｐａｃｔｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ；Ｄａｍｐｉｎｇｒａｔｉｏ