动力特性分析在钢—混凝土组合梁桥施工监控中的应用研究

王力波 郝朝伟

摘  要：为了研究钢-混凝土组合梁桥的施工阶段动力特性，以一座实际工程为研究对象，对其施工阶段动力特性进行数值模拟分析，并采用基于环境激励的模态参数识别理论对施工阶段的动力特性参数进行识别，将动力特性参数识别结果与数值模拟结果进行对比分析。结果表明：施工期间临时墩支撑强度、混凝土浇筑质量以及强度形成情况对桥梁自振频率有较大的影响;施工阶段动力特性分析可以得出施工阶段实际状态与理论状态偏差产生的原因，能够较好地反映出钢-混凝土组合梁桥施工阶段的整体受力状态，在保证施工阶段安全、受力合理方面能够起到一定的作用，在桥梁施工监控中具有一定的应用前景。

关键词：桥梁工程  钢-混凝土组合梁  动力特性  施工阶段  参数识别

中图分类号：U446    文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）11（c）-0060-02

钢-混凝土组合梁桥是指上部结构由钢箱梁或钢桁梁与混凝土桥面板间通过栓等抗剪连接件进行连接，最终形成共同受力结构的桥梁形式[1]。该结构因其充分发挥钢材与混凝土各自材料性能优势、对既有交通影响小、施工快捷等特点在我国桥梁建设中得到越来越广泛的应用[2-3]。由于该种桥梁结构施工方法多样，施工期间结构受力变化复杂，为保证施工过程结构受力合理、安全并确保成桥状态满足设计要求，在其施工过程中常采取施工监控手段[4]。

目前我国对在建桥梁施工监控的内容主要为内力和线型监测，很少采用对施工阶段动力特性进行监控的方式来监测桥梁的受力情况[5]。对于钢-混凝土组合梁桥而言，施工过程中采用的临时支撑结构强度、混凝土的浇筑和强度形成以及施工荷载作用等对施工安全、结构受力合理会产生较大影响，而这些因素均可通过动力特性的监测体现出来[6]。

1  工程概况

该文以山西省一座上跨太旧高速公路的钢-混凝土组合连续梁桥为研究对象，该桥孔跨布置为3孔30m，桥宽8.5m，平面位于R=90m的圆曲线上，桥墩径向布置。该桥上部结构钢-混凝土组合梁采用双箱单室结构，两钢箱梁间采用钢横梁进行连接。桥面板采用C50补偿收缩混凝土，采用栓钉将钢箱梁与混凝土板连接成整体共同受力。

2  有限元数值模拟分析

2.1 施工阶段划分

根据设计文件和施工方案，同时结合混凝土强度的形成会提高钢-混凝土组合梁的整体刚度从而对动力特性产生明显影响的特点，将施工阶段动力特性分析划分为11个工况，并建立各工况的有限元数值模型进行动力特性分析。

2.2 动力特性模拟结果

根据各工况下该桥相应的有限元数值模型对其各工况动力特性进行分析，得到各工况下钢-混凝土组合梁桥的模态参数（周期、频率等），分析结果见图1。

根据以上动力特性数值模拟结果，桥梁施工阶段动力特性能够在一定程度上反映桥梁施工阶段的受力特征，主要为以下几点。

（1）受混凝土（桥面板或底板）浇筑质量的影响，桥梁的自振周期会变大、自振频率变小;混凝土强度的形成会导致桥梁整体刚度增大，桥梁的自振周期变小、自振频率变大。

（2）在该桥施工全过程中，自振频率变化最大的阶段为拆除临时支撑结构前后，即结构体系发生变化前后，一阶频率的变化幅度高达52.3%，施工期间应保证临时支撑结构的稳定及支撑强度，确保受力情况满足设计要求。

3  动力特性测试

3.1 振动信号采集、处理

为得到该桥各施工阶段实际状况下的动力特性，采用基于环境激励的模态参数识别方法[7]对桥梁的模态参数进行实测。根据该桥施工方案并结合实际施工过程，对各工况桥梁振动信号进行采集并对实测数据进行平滑、消除趋势项、数字滤波等处理以用于模态参数的识别。

3.2 模态参数识别

通过对该桥各分析工况下采集与处理的振动信号进行频域分解得到施工过程中各分析工况下该桥的自功率谱进而得到各工况的自振频率，并将各测试工况的自振频率识别结果与数值分析结果进行对比如图2所示。

通过数值模拟分析结果与实测结果进行对比分析可以看出以下方面内容。

（1）各工况自振频率实测结果与理论分析结果总体上基本吻合，除工况1（临时支撑体系下完成钢箱梁架设）外，其余各工况的自振频率实测值均大于理论分析值，表明桥梁实际刚度较理论刚度大。工况1（临时支撑体系下完成钢箱梁架设）下自振频率实测值较理论分析值低的原因主要是采集振动信号时临时支撑结构存在脱空情况。

（2）工况2至工况5阶段（即拆除临时支撑结构至正弯矩区桥面板混凝土浇筑完成）的自振频率实测值较理论值偏大，此过程中混凝土浇筑量相对较小，其产生的影响较小，故钢箱梁实际刚度较数值模拟采用的刚度偏大是造成此过程频率偏大的主要原因。

（3）工况5（正弯矩区桥面板混凝土浇筑完成）实测的自振频率大于理论值，相对差值均大于15%，主要原因有3个方面：一是钢梁实际刚度偏大;二是由桥面板混凝土实际质量与理论计算采用的质量偏小;三是振动信号采集时混凝土形成一定的强度导致刚度增大。

（4）工况6（正弯矩区桥面板混凝土强度形成阶段）的自振频率实测值大于理论值，偏差介于0.3%～2.3%，呈现出桥梁实际状态与理论分析状态较为接近的现象。若将工况5引起的自振频率偏差（16.0%～20.9%）引入到此工况中来，可推断桥梁的实际刚度存在小于理论分析值的可能，表现出的桥梁结构参数为混凝土强度未达到要求。

4  结语

该文以实际工程为背景，通过有限元数值模拟和采用基于环境激励的模态参数识别方法对一座钢-混凝土组合梁桥实际工程的施工阶段动力特性进行分析，得到以下结论。

（1）施工期间临时支撑结构、浇筑混凝土的质量以及混凝土强度形成情况对钢-混凝土组合梁桥自振频率有较大的影响，可利用其影响规律进行施工状态的监测。

（2）通过钢-混凝土组合梁桥施工阶段动力特性分析（基于环境激励法的模态参数识别结果与理论分析结果的对比分析）可以得出钢-混凝土组合梁桥施工阶段实际状态与理论设计状态偏差产生的原因。

（3）施工阶段动力特性分析在一定程度上能够反映出钢-混凝土组合梁桥施工阶段的整体受力状况，同时该方法具有操作简单、快捷的特点，可作为桥梁施工监控的一项内容，为桥梁施工阶段安全、受力合理等方面提供技术支撑。

参考文献

[1] 黄侨，郭赵元，万世成，等.钢-混凝土组合梁桥的截面弹性抗弯承载力计算方法研究[J].中国公路学报，2017，30（3）：167-174.

[2] Ikeda S.Progress of Hybrid Structure in Civil Engineering[A].Journal of Japan Concrete Institute[C].1998.

[3] 陳彦江，王力波，李勇.钢-混凝土组合梁桥温度场与温度效应研究[J].公路交通科技，2014，32（11）：85-91.

[4] 何景涛.大跨径变截面钢-混凝土组合梁桥悬吊拼接与控制关键技术研究[D].北京工业大学，2012.

[5] 张瑞征，王力波，王凯.钢-混凝土组合曲线连续梁桥的施工控制[J].山西交通科技，2015（3）：26-30.

[6] 王力波.钢—混凝土组合梁桥施工阶段力学性能和温度场研究[D].北京工业大学，2015.

[7] 秦世强，蒲黔辉，施洲.环境激励下大型桥梁模态参数识别的一种方法[J].振动与冲击，2012，31（2）：95-100.