動力特性分析在鋼—混凝土組合梁橋施工監控中的應用研究
「為了研究鋼-混凝土組合梁橋的施工階段動力特性，以一座實際工程為研究對象，對其施工階段動力特性進行數值模擬分析，并采用基于環境激勵的模態參數識別理論對施工階段的動力特性參數進行識別，將動力特性參數識別結果與數值模擬結果進行對比分析。結果表明：施工期間臨時墩支撐強度、混凝土澆筑質量以及強度形成情況對橋梁自振頻率有較大的影響;施工階段動力特性分析可以得出施工階段實際狀態與理論狀態偏差產生的原因，能夠較好地反映出鋼-混凝土組合梁橋施工階段的整體受力狀態，在保證施工階段安全、受力合理方面能夠起到一定的作用，在橋梁施工監控中具有一定的應用前景。(2023-2-25)」
關鍵詞：橋梁工程 鋼-混凝土組合梁 動力特性 施工階段 參數識別
中圖分類號：U446 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）11（c）-0060-02
鋼-混凝土組合梁橋是指上部結構由鋼箱梁或鋼桁梁與混凝土橋面板間通過栓等抗剪連接件進行連接，最終形成共同受力結構的橋梁形式[1]。該結構因其充分發揮鋼材與混凝土各自材料性能優勢、對既有交通影響小、施工快捷等特點在我國橋梁建設中得到越來越廣泛的應用[2-3]。由于該種橋梁結構施工方法多樣，施工期間結構受力變化復雜，為保證施工過程結構受力合理、安全并確保成橋狀態滿足設計要求，在其施工過程中常采取施工監控手段[4]。
目前我國對在建橋梁施工監控的內容主要為內力和線型監測，很少采用對施工階段動力特性進行監控的方式來監測橋梁的受力情況[5]。對于鋼-混凝土組合梁橋而言，施工過程中采用的臨時支撐結構強度、混凝土的澆筑和強度形成以及施工荷載作用等對施工安全、結構受力合理會產生較大影響，而這些因素均可通過動力特性的監測體現出來[6]。
1 工程概況
該文以山西省一座上跨太舊高速公路的鋼-混凝土組合連續梁橋為研究對象，該橋孔跨布置為3孔30m，橋寬8.5m，平面位于R=90m的圓曲線上，橋墩徑向布置。該橋上部結構鋼-混凝土組合梁采用雙箱單室結構，兩鋼箱梁間采用鋼橫梁進行連接。橋面板采用C50補償收縮混凝土，采用栓釘將鋼箱梁與混凝土板連接成整體共同受力。
2 有限元數值模擬分析
2.1 施工階段劃分
根據設計文件和施工方案，同時結合混凝土強度的形成會提高鋼-混凝土組合梁的整體剛度從而對動力特性產生明顯影響的特點，將施工階段動力特性分析劃分為11個工況，并建立各工況的有限元數值模型進行動力特性分析。
2.2 動力特性模擬結果
根據各工況下該橋相應的有限元數值模型對其各工況動力特性進行分析，得到各工況下鋼-混凝土組合梁橋的模態參數（周期、頻率等），分析結果見圖1。
根據以上動力特性數值模擬結果，橋梁施工階段動力特性能夠在一定程度上反映橋梁施工階段的受力特征，主要為以下幾點。
�。�1）受混凝土（橋面板或底板）澆筑質量的影響，橋梁的自振周期會變大、自振頻率變小;混凝土強度的形成會導致橋梁整體剛度增大，橋梁的自振周期變小、自振頻率變大。
�。�2）在該橋施工全過程中，自振頻率變化最大的階段為拆除臨時支撐結構前后，即結構體系發生變化前后，一階頻率的變化幅度高達52.3%，施工期間應保證臨時支撐結構的穩定及支撐強度，確保受力情況滿足設計要求。
3 動力特性測試
3.1 振動信號采集、處理
為得到該橋各施工階段實際狀況下的動力特性，采用基于環境激勵的模態參數識別方法[7]對橋梁的模態參數進行實測。根據該橋施工方案并結合實際施工過程，對各工況橋梁振動信號進行采集并對實測數據進行平滑、消除趨勢項、數字濾波等處理以用于模態參數的識別。
3.2 模態參數識別
通過對該橋各分析工況下采集與處理的振動信號進行頻域分解得到施工過程中各分析工況下該橋的自功率譜進而得到各工況的自振頻率，并將各測試工況的自振頻率識別結果與數值分析結果進行對比如圖2所示。
通過數值模擬分析結果與實測結果進行對比分析可以看出以下方面內容。
�。�1）各工況自振頻率實測結果與理論分析結果總體上基本吻合，除工況1（臨時支撐體系下完成鋼箱梁架設）外，其余各工況的自振頻率實測值均大于理論分析值，表明橋梁實際剛度較理論剛度大。工況1（臨時支撐體系下完成鋼箱梁架設）下自振頻率實測值較理論分析值低的原因主要是采集振動信號時臨時支撐結構存在脫空情況。
�。�2）工況2至工況5階段（即拆除臨時支撐結構至正彎矩區橋面板混凝土澆筑完成）的自振頻率實測值較理論值偏大，此過程中混凝土澆筑量相對較小，其產生的影響較小，故鋼箱梁實際剛度較數值模擬采用的剛度偏大是造成此過程頻率偏大的主要原因。
�。�3）工況5（正彎矩區橋面板混凝土澆筑完成）實測的自振頻率大于理論值，相對差值均大于15%，主要原因有3個方面：一是鋼梁實際剛度偏大;二是由橋面板混凝土實際質量與理論計算采用的質量偏小;三是振動信號采集時混凝土形成一定的強度導致剛度增大。
�。�4）工況6（正彎矩區橋面板混凝土強度形成階段）的自振頻率實測值大于理論值，偏差介于0.3%～2.3%，呈現出橋梁實際狀態與理論分析狀態較為接近的現象。若將工況5引起的自振頻率偏差（16.0%～20.9%）引入到此工況中來，可推斷橋梁的實際剛度存在小于理論分析值的可能，表現出的橋梁結構參數為混凝土強度未達到要求。
4 結語
該文以實際工程為背景，通過有限元數值模擬和采用基于環境激勵的模態參數識別方法對一座鋼-混凝土組合梁橋實際工程的施工階段動力特性進行分析，得到以下結論。
�。�1）施工期間臨時支撐結構、澆筑混凝土的質量以及混凝土強度形成情況對鋼-混凝土組合梁橋自振頻率有較大的影響，可利用其影響規律進行施工狀態的監測。
�。�2）通過鋼-混凝土組合梁橋施工階段動力特性分析（基于環境激勵法的模態參數識別結果與理論分析結果的對比分析）可以得出鋼-混凝土組合梁橋施工階段實際狀態與理論設計狀態偏差產生的原因。
�。�3）施工階段動力特性分析在一定程度上能夠反映出鋼-混凝土組合梁橋施工階段的整體受力狀況，同時該方法具有操作簡單、快捷的特點，可作為橋梁施工監控的一項內容，為橋梁施工階段安全、受力合理等方面提供技術支撐。
參考文獻
[1] 黃僑，郭趙元，萬世成，等.鋼-混凝土組合梁橋的截面彈性抗彎承載力計算方法研究[J].中國公路學報，2017，30（3）：167-174.
[2] Ikeda S.Progress of Hybrid Structure in Civil Engineering[A].Journal of Japan Concrete Institute[C].1998.
[3] 陳彥江，王力波，李勇.鋼-混凝土組合梁橋溫度場與溫度效應研究[J].公路交通科技，2014，32（11）：85-91.
[4] 何景濤.大跨徑變截面鋼-混凝土組合梁橋懸吊拼接與控制關鍵技術研究[D].北京工業大學，2012.
[5] 張瑞征，王力波，王凱.鋼-混凝土組合曲線連續梁橋的施工控制[J].山西交通科技，2015（3）：26-30.
[6] 王力波.鋼—混凝土組合梁橋施工階段力學性能和溫度場研究[D].北京工業大學，2015.
[7] 秦世強，蒲黔輝，施洲.環境激勵下大型橋梁模態參數識別的一種方法[J].振動與沖擊，2012，31（2）：95-100.
(振癢)
中圖分類號：U446 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）11（c）-0060-02
鋼-混凝土組合梁橋是指上部結構由鋼箱梁或鋼桁梁與混凝土橋面板間通過栓等抗剪連接件進行連接，最終形成共同受力結構的橋梁形式[1]。該結構因其充分發揮鋼材與混凝土各自材料性能優勢、對既有交通影響小、施工快捷等特點在我國橋梁建設中得到越來越廣泛的應用[2-3]。由于該種橋梁結構施工方法多樣，施工期間結構受力變化復雜，為保證施工過程結構受力合理、安全并確保成橋狀態滿足設計要求，在其施工過程中常采取施工監控手段[4]。
目前我國對在建橋梁施工監控的內容主要為內力和線型監測，很少采用對施工階段動力特性進行監控的方式來監測橋梁的受力情況[5]。對于鋼-混凝土組合梁橋而言，施工過程中采用的臨時支撐結構強度、混凝土的澆筑和強度形成以及施工荷載作用等對施工安全、結構受力合理會產生較大影響，而這些因素均可通過動力特性的監測體現出來[6]。
1 工程概況
該文以山西省一座上跨太舊高速公路的鋼-混凝土組合連續梁橋為研究對象，該橋孔跨布置為3孔30m，橋寬8.5m，平面位于R=90m的圓曲線上，橋墩徑向布置。該橋上部結構鋼-混凝土組合梁采用雙箱單室結構，兩鋼箱梁間采用鋼橫梁進行連接。橋面板采用C50補償收縮混凝土，采用栓釘將鋼箱梁與混凝土板連接成整體共同受力。
2 有限元數值模擬分析
2.1 施工階段劃分
根據設計文件和施工方案，同時結合混凝土強度的形成會提高鋼-混凝土組合梁的整體剛度從而對動力特性產生明顯影響的特點，將施工階段動力特性分析劃分為11個工況，并建立各工況的有限元數值模型進行動力特性分析。
2.2 動力特性模擬結果
根據各工況下該橋相應的有限元數值模型對其各工況動力特性進行分析，得到各工況下鋼-混凝土組合梁橋的模態參數（周期、頻率等），分析結果見圖1。
根據以上動力特性數值模擬結果，橋梁施工階段動力特性能夠在一定程度上反映橋梁施工階段的受力特征，主要為以下幾點。
�。�1）受混凝土（橋面板或底板）澆筑質量的影響，橋梁的自振周期會變大、自振頻率變小;混凝土強度的形成會導致橋梁整體剛度增大，橋梁的自振周期變小、自振頻率變大。
�。�2）在該橋施工全過程中，自振頻率變化最大的階段為拆除臨時支撐結構前后，即結構體系發生變化前后，一階頻率的變化幅度高達52.3%，施工期間應保證臨時支撐結構的穩定及支撐強度，確保受力情況滿足設計要求。
3 動力特性測試
3.1 振動信號采集、處理
為得到該橋各施工階段實際狀況下的動力特性，采用基于環境激勵的模態參數識別方法[7]對橋梁的模態參數進行實測。根據該橋施工方案并結合實際施工過程，對各工況橋梁振動信號進行采集并對實測數據進行平滑、消除趨勢項、數字濾波等處理以用于模態參數的識別。
3.2 模態參數識別
通過對該橋各分析工況下采集與處理的振動信號進行頻域分解得到施工過程中各分析工況下該橋的自功率譜進而得到各工況的自振頻率，并將各測試工況的自振頻率識別結果與數值分析結果進行對比如圖2所示。
通過數值模擬分析結果與實測結果進行對比分析可以看出以下方面內容。
�。�1）各工況自振頻率實測結果與理論分析結果總體上基本吻合，除工況1（臨時支撐體系下完成鋼箱梁架設）外，其余各工況的自振頻率實測值均大于理論分析值，表明橋梁實際剛度較理論剛度大。工況1（臨時支撐體系下完成鋼箱梁架設）下自振頻率實測值較理論分析值低的原因主要是采集振動信號時臨時支撐結構存在脫空情況。
�。�2）工況2至工況5階段（即拆除臨時支撐結構至正彎矩區橋面板混凝土澆筑完成）的自振頻率實測值較理論值偏大，此過程中混凝土澆筑量相對較小，其產生的影響較小，故鋼箱梁實際剛度較數值模擬采用的剛度偏大是造成此過程頻率偏大的主要原因。
�。�3）工況5（正彎矩區橋面板混凝土澆筑完成）實測的自振頻率大于理論值，相對差值均大于15%，主要原因有3個方面：一是鋼梁實際剛度偏大;二是由橋面板混凝土實際質量與理論計算采用的質量偏小;三是振動信號采集時混凝土形成一定的強度導致剛度增大。
�。�4）工況6（正彎矩區橋面板混凝土強度形成階段）的自振頻率實測值大于理論值，偏差介于0.3%～2.3%，呈現出橋梁實際狀態與理論分析狀態較為接近的現象。若將工況5引起的自振頻率偏差（16.0%～20.9%）引入到此工況中來，可推斷橋梁的實際剛度存在小于理論分析值的可能，表現出的橋梁結構參數為混凝土強度未達到要求。
4 結語
該文以實際工程為背景，通過有限元數值模擬和采用基于環境激勵的模態參數識別方法對一座鋼-混凝土組合梁橋實際工程的施工階段動力特性進行分析，得到以下結論。
�。�1）施工期間臨時支撐結構、澆筑混凝土的質量以及混凝土強度形成情況對鋼-混凝土組合梁橋自振頻率有較大的影響，可利用其影響規律進行施工狀態的監測。
�。�2）通過鋼-混凝土組合梁橋施工階段動力特性分析（基于環境激勵法的模態參數識別結果與理論分析結果的對比分析）可以得出鋼-混凝土組合梁橋施工階段實際狀態與理論設計狀態偏差產生的原因。
�。�3）施工階段動力特性分析在一定程度上能夠反映出鋼-混凝土組合梁橋施工階段的整體受力狀況，同時該方法具有操作簡單、快捷的特點，可作為橋梁施工監控的一項內容，為橋梁施工階段安全、受力合理等方面提供技術支撐。
參考文獻
[1] 黃僑，郭趙元，萬世成，等.鋼-混凝土組合梁橋的截面彈性抗彎承載力計算方法研究[J].中國公路學報，2017，30（3）：167-174.
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[3] 陳彥江，王力波，李勇.鋼-混凝土組合梁橋溫度場與溫度效應研究[J].公路交通科技，2014，32（11）：85-91.
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[6] 王力波.鋼—混凝土組合梁橋施工階段力學性能和溫度場研究[D].北京工業大學，2015.
[7] 秦世強，蒲黔輝，施洲.環境激勵下大型橋梁模態參數識別的一種方法[J].振動與沖擊，2012，31（2）：95-100.
(振癢)