基础约束简化对某斜拉桥自振频率评定的影响分析

吴育後 袁绍林 吴维彬 陈冰

摘要：文章基于某斜拉桥计算模型中基础约束简化方式的不同，对比分析不同情况下自振频率的理论偏差以及因此对评定结果产生的影响。通过理论分析与实测值对比可知：模型约束过度简化可能导致大的理论值偏差，进而导致评定结果与实际不符。

关键词：基础约束简化;斜拉桥;自振频率;模态;评定

0 引言

无论是梁桥、拱桥、斜拉桥、悬索桥或异型结构桥梁，在对具体结构进行有限元分析前，都需要将结构简化。

在遵循结构简化原则的前提下，模型的约束条件将对分析结果产生重要影响。根据工程实际，作者据此对比某斜拉桥在不同约束条件下，桥梁模态分析结果与实测结果，探讨基础约束简化对该斜拉桥自振频率评定的影响。

1 桥梁概况

某桥梁主桥为一座2×120m单塔双索面斜拉桥，采用塔梁墩固结体系。主桥桥面布置为：2.25m（人行道）+2m（拉索区）+18m（行车道）+2m（拉索区）+2.25m（人行道）。索塔为门式塔，塔高60.3m。每根塔柱底宽6.0m，顶宽4.0m，塔柱上部为厚度2.0m的实心矩形，塔柱上的拉索锚固段为“H”型断面。桥梁斜拉索为双索面扇形索，每一侧共26对拉索，梁上索距4.0m。主梁断面为宽2.0m、高2.0m的矩形，主梁底缘设有宽0.6m、高0.5m的梯形槽，梁高在根部增加至2.5m。桥梁基础采用10根桩径D=2.0m的钻孔灌注桩，桩端嵌入基岩3.0m。墩身采用双柱式桥墩，墩身高24.3m，墩柱中心间距为20.0m。如图1所示。

2 工况分析

工况1：有限元建模时主塔模型建立至承台顶面，承台以下部分基础约束简化为刚性约束。

工况2：有限元建模时主塔模型建立至承台底面，桩基部分简化为刚性约束。

工况3：有限元建模时主塔模型建立至桩基底面，桩身的桩-土相互作用的土弹簧刚度采用“M法”根据地质特性确定，嵌岩桩基底简化为刚性约束。

3 有限元分析

分析采用MidasCivil2019三维有限元软件进行，主梁、主塔采用梁单元，拉索采用桁架单元，桥面铺装及人行道、护栏等二期恒载采用均布荷载施加于主梁上，重力加速度取g=9.806m/s2。有限元模型如图2所示。

4 模态试验

4.1 模态试验测点布置

桥梁模态振动传感器纵向布置按图3的方式（橋跨1/4L点、1/2L点和3/4L点）进行，横桥向布置于上游拉索区。

传感器技术参数：

（1）频率响应范围：0.13～39.0Hz;

（2）灵敏度范围：0.3192～0.3344mV/（mm/s）;

（3）频率示值测量不确定度：Urel=0.02%，k=2。

4.2 实测频谱及速度时程曲线

在封闭交通的情况下，经过30min的数据采集，分析得到桥梁的实测平均频谱及速度时程曲线，如图4所示。

5 理论分析与实测结果对比

将桥梁模态试验实测结果与在不同工况下桥梁模态的有限元分析结果对比分析汇总于下页表1。

由理论分析结果和实测结果对比分析，可得出如下几点结论：

（1）实测竖向1～4阶自振频率为0.586～1.660Hz;全结构模型竖向1～4阶自振频率理论值为0.362～1.247Hz。

（2）工况1理论值偏差率为20.05%～65.84%，工况2为8.98%～48.56%。

（3）工况1实测值/理论值范围为1.08～1.24，工况2为1.20～1.36，工况3为1.33～1.79。

（4）根据规程JTG/TJ21-2011，在工况1情况下，该桥自振频率评定标度为2类，工况2～3的评定标度为1类。

（5）该斜拉桥竖向1～4阶自振频率较低，模型约束简化将对理论计算产生较大影响，进而影响桥梁自振频率的评定。特别是在工况1的情况下，该桥自振频率评定标度为2类，与实际情况不符。

6 结语

本文以某斜拉桥自振频率评定为例，分析了基础约束简化对桥梁自振频率评定的影响：

对自振频率较低的斜拉桥，应建立全结构模型分析其自振频率理论值;对主塔基础约束过度简化可能导致大的理论值偏差，进而导致评定结果与实际不符。

通过本文分析可知，类似情况的斜拉桥、悬索桥、连续刚构桥等，在分析自振频率时应充分考虑约束简化对理论分析的影响，避免评定失真。

参考文献：

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