大跨度钢筋混凝土箱形拱桥的模态分析

山 西建筑

SHANXI ARCHITECTURE

V〇1.44N〇.5Feb. 2018

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文章编号：1009-6825 (2018) 05-0181-02

大跨度钢筋混凝土箱形拱桥的模态分析

郝卫红贺小强

(中交一公局土木工程建筑研究院有限公司，北京100024)

摘要:基于工程实例，采用数值模拟方法，并进行特征值分析，对桥梁动力特性展开研究。结果表明:桥梁结构刚度大于计算值，

该桥的整体动力特性良好;模型具有较高的仿真效果，其计算结果可为类似桥梁的抗震、抗风设计以及车桥动力相互作用分析等 提供参考。

关键词:大跨度，钢筋混凝土箱形拱桥，振动特性，模态分析

中图分类号:U448.223

文献标识码:A

表1马蹄河特大桥自振频率与振型特征表

振型

阶次

12345

〇引言

近年来，众多学者在桥梁动力特性方面展开了诸多相关的研 究[1_6]，但是对于现场实际模态测试以及实测与有限元计算对比 分析的内容较少叙述。文章以贵州省沿德高速公路马蹄河特大 桥为研究对象，建立三维有限元数值模型，并对该桥竖向振动模 态进行测试，采用随机子空间法进行数据计算，比较分析了理论 与测试结果，确定了该桥梁的刚度情况，对该桥后续的健康观测 与定期检测提供了数据基础，为类似桥梁的动力特性研究积累了 宝贵经验，具有工程参考意义。

阶次

1

频率

Hz0.5220.9071.4191.6982.577

自振周

期/s

1.9161.1020.7050.5590.388

振型特征整体横弯整体竖弯整体横弯整体竖弯整体横弯、 小幅扭振

振型阶次

678910

频率

Hz2.7342.9413.5603.7224.252

自振周

m/s

0.3660.3400.2810.2670.235

振型特征整体竖弯整体竖弯拱圈横弯、主梁扭振整体横弯、主梁扭振

1号排架纵弯

表2

标准视图

马蹄河特大桥振型图一览表

侧面图?_

阶次

6

侧面图平面图1

1工程概况

马蹄河特大桥桥址区地处贵州中北部黔北山地高原之南，乌

!；-；

江中下游的黔东北德江县境内，地处大娄山脉与武陵山脉接壤部 位，地形地貌受地质构造及岩性的制约较大，山脉连绵起伏，属构

造剥蚀、溶蚀低山一河流侵蚀地貌。桥跨布置为2 X 30 m预制T 梁+净跨180 m主拱（15x13 m空心板）+2x30 m预制T梁，全 桥长 327. 595 m。

2

麵^Si

7

1

38

%:

f

2数值模拟

单元和参数

基于有限元分析软件MIDAS CIVIL建立马蹄河特大桥结构

4

麗

二\"

9

2.1

510

丨』；

模型，采用梁单元模拟主梁、拱圈、排架、盖梁、垫梁与系梁结构， 以板单元模拟桥面铺装混凝土调平层，拱圈为无铰拱，两端拱脚

考虑固结约束，主梁两端约束Z)F，Z)Z方向位移，主梁与排架、排 架与拱圈之间均采用刚性连接。桥梁主拱圈、主梁空心板、桥面铺 装混凝土调平层采用C50混凝土，拱上排架、盖梁、垫梁与系梁采 用C40混凝土，模型中各构件材料参数按设计图纸取值。全桥共 有7 510个梁单元，4 656个板单元，5 597个节点，174个刚性连接。 2.2几何模型

有限元计算结果表明:

1) 马蹄河特大桥横向1阶振动为整体1阶振动，振型呈对称

横向弯曲;竖向1阶振动为整体2阶振动，主梁振型呈反对称竖向 弯曲;横向2阶、3阶振动分别为整体3阶和5阶振动，振型分别 呈反对称横向弯曲和对称横向弯曲;竖向2阶振动、3阶振动分别 为整体4阶和6阶振动，振型均呈对称竖向弯曲。桥梁整体振动 前10阶未出现整体纵漂现象。根据实测模态振型显示，桥梁首

本模型主要模拟主桥部分，主桥净跨径180 m，净矢高32 m， 次出现的模态为横向振动，各阶次振型出现顺序符合用大跨度箱

净矢跨比为1/5.625，主拱圈是拱轴系数为m = 1.988的等高截面 形拱桥的动力特性，同时前5阶重要模态均未出现明显扭转振 悬链线拱，拱箱为单箱双室结构，高3.3 m，宽7.5 m;主梁结构为 动，说明该箱形拱桥整体抗扭刚度较大。15x13 m空心板，沿桥宽方向共8片;拱上设置14组排架，排架

2)

由表1马蹄河特大桥自振频率与振型特征表可以看出，第

采用双柱式，沿跨度中心呈对称分布。模拟计算考虑钢筋比重对 模型自重的影响，自重重度系数取值-1. 04，防撞护栏与桥面沥 青混凝土铺装层分别以线均布荷载和面均布荷载施加，并将均布 荷载转换为质量，模型按子空间迭代法计算其自振特性。2.3数值模拟分析

数值模拟中采用子空间迭代法进行计算，自振周期、频率和 振型、振型特点见表1，前10阶振型图见表2。

1阶弯曲振动自振频率为0.522 Hz，自振周期为1.916 s，自振周 期长，固有频率低，此振型在钢筋混凝土箱形拱桥的振动响应中

占了较大的比例;第2阶振型为竖向弯曲振动，该桥的竖向1阶弯 曲振动出现的较早，自振频率为0.907 Hz，振动周期为1.102 s。 扭转振型最早出现在第5阶振型，自振频率为2. 577 Hz，振动周 期为0.388 s。根据前10阶振型的振动周期可知，随振型阶次增 加，振动周期呈减小趋势，说明阶次越高，振动响应占的比例越

收稿日期=2017-12-08

作者简介:郝卫红（1976-)，女，工程师；贺小强（1984-)，男，工程师

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第44卷第5期2 0 1 8年2月

山西建筑

小，低阶振型对桥梁结构起主要控制作用，所以研究桥梁模态时 应重点分析结构的前期振型阶段。3

测试结果分析

模态试验方案确定

由于该桥跨径较大，实现人为激励十分困难，测试时激振方

3.1

式采用环境脉动激振。根据马蹄河大桥的结构特点及有限元计 算得出各阶模态对应的振型，选取主梁与拱圈传力点（立柱位置） 及桥梁跨中位置为测试点，全桥模态分析布置30个测点，所选测 点已包含二分点、四分点、八分点及十六分点，各测点极具代表 性。受测试条件限制，所有测点无法一次性采集完毕，故采用固 定参考点移动测点的测试方法进行测试。根据测点位置情况，该 桥分四次测量，共设置两个参考点。第一次为：1号、2号、3号、 4号、5号、参考点1(6号）、参考点2(7号）、8号、9号测点，第二 次为:参考点1(6号）、参考点2(7号）、10号、11号、12号、13号、 14号、15号测点，第三次为:参考点1(6号）、参考点2(7号）、 1'号、2'号、3'号、4'号、5'号、8'号、9'号测点，第四次为：参考点 1(6号）、参考点2(7号）、10'号、11'号、12'号、13'号、14'号、15'号 测点。本桥测试采样频率为25. 6 Hz，采样时间为30 min。测点 布置图见图1。

15’号 14’号 13’号 12’号 11’号 10’号 9，\"|8'%7’号 6'% 5'% 4'% 3'%

2’号 1’号

b)2 阶(频率：1.8〇7 Hz)

图2实测竖向1阶〜3阶模态三视图 表3

测试结果与数值模拟比较

竖向1阶

1.0080.907

竖向2阶1.8071.6981.0640.808

c)3 阶(频率:3.261 Hz)

结构模态阶次实测频率/实测/Hz计算频率八+胃/Hz

/实测’A十算

阻尼比/%

竖向3阶3.2612.7341.1930.402

1.111

1.405

上述结果表明，实测桥梁频率较理论计算值偏大，说明桥梁 结构刚度略大于计算值，该桥的整体动力特性良好;阻尼比随竖 向阶次的增加呈递减趋势。4

15号14号13号12号11号10号9号8号Cl C2 5号4号3号 2号1号

•______•______•_____«______•______•_____¥ 參•______•____________•______•______*_____•

•结论与建议

1)

对大跨径桥梁进行环境振动试验能够识别桥梁的基本动

力特性，该大跨度箱形拱桥的竖向前三阶实测振型结果与有限元 理论计算结果基本吻合，实际测试频率略大于有限元计算的理论 频率，该桥梁的整体动力特性良好。

2)

3.2 测试结果分析

为了了解该桥的实际振动特性，对桥梁进行了环境激励下的 结构振动测试。测试设备采用北京东方振动和噪声技术研究所

生产的DASP采集与分析系统，测试了桥梁30个测点垂直方向的

3)

模型具有较高的仿真效果，其计算结果可为类似桥梁的抗 大跨度桥梁结构的振动特性是较深的研究课题，文章主要

震、抗风设计以及车桥动力相互作用分析等提供参考。

针对沿德高速公路马蹄河特大桥进行了模态分析研究，由于钢筋 混凝土箱形拱桥结构形式单一，该成果具有局限性。对于大跨度 复杂结构桥梁的模态及振动特性分析还有待进一步地研究。

振动。各测点模态阶次出现位置基本相同，波形幅值重叠明显， 参考文献：测点测试效果良好。波形幅值最大点位对应结构第4阶次模态 [1] 张海波，何军拥.基于MIDAS的大跨度连续刚构桥振动特 处，由半功率带宽法得出频率为1.775 Hz，与随机子空间识别法处 性分析[J].广州航海高等专科学校学报,2012(1) :12-14.理后的模态频率1.807 Hz略有差异，实际测试结果应以后者为准。

通过DSAP模态分析模块，利用时域中的随机子空间识别法 对实测数据进行桥梁动力参数识别，求得桥梁的竖向前三阶模态 频率、振型和阻尼比如图2所示。3.3 测试结果对比

受测试条件限制，现场选取竖向前3阶模态进行测试，并与 模型对应的竖向前3阶振动频率、振型进行对比，结果显示，现场 实测振型与模型得出振型具有较高的一致性，现场实测频率略大 于有限元计算频率，初步表明本数值模型能够较好的模拟实际工 程情况。监测验证结果与数值模拟比较情况详见表3。

[2] 谭燕秋，吴欣，宫玉侠.大跨度钢桁架桥梁结构的模态分

析[J].中国建筑金属结构，2013(24) :1-16.

[3] 陈常松，田仲初，郑万泔，等.大跨度混凝土斜拉桥模态试验

技术研究[J]. 土木工程学报,2005(10) :72-75.

[4] 占智贵.基于ANSYS对大型钢桁桥的模态分析[J].低温建

筑技术,2011(1 ):62-64.

[5] 王立新，杜鹏，李小华.佛开高速九江大桥模态测试与分

析[J].华南地震，2009(3) :9-16.

[6] 彭涛.基于环境激励的大跨度桥梁模态分析与应用研究 [D].长沙：长沙理工大学,2007.

Hao Weihong He Xiaoqiang

{Civil and Architectural Engineering Institute of CCCC-FHEB Co. , Ltd, Beijing 100024, China)Abstract ： Based on the engineering example, the paper adopts the numerical simulation method and carries out the characteristic value analysis to study the dynamic characteristics of the bridge. The results show that the stiffness of the bridge is greater than the calculated value, and the o- verall dynamic characteristic of the bridge is good. The model has a high simulation effect, and its calculation results can provide reference for seismic, wind-resistant design and dynamic interaction analysis of bridges.Key words： large span, reinforced concrete box arch bridge, vibration characteristics, modal analysis

Modal analysis of large span reinforced concrete box arch bridge