沈阳公和斜拉桥的荷载试验研究
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摘要
荷载试验是一种重要的检测手段，可以为决策者对桥梁的承载能力做出科学地评估，提供有利、直观的依据，可以为新的结构、新的设计理论和新的施工工艺的发展与应用积累实践资料。公和斜拉桥采用单塔单索面双层结构，利用下悬臂来设置非机动车道，充分利用了下层空间，这是一种大胆的尝试，这种新的设计思想需要在实践当中检验。本文以现代桥梁设计理论、有限元法、随机振动、振动测试与分析技术为理论基础，在总结有关桥梁的荷载试验方法的基础上，对公和斜拉桥的荷载试验方法进行了研究和设计，具体开展了以下几方面的工作：
通过对公和斜拉桥的理论分析，在保证荷载试验效果的前提下，确定试验的控制荷载和加载工况，将各种工况下结构控制截面的实际变形或者应力同理论计算值进行了比较，计算出结构的校验系数。根据计算得到的结构的校验系数，确定了该桥的实际承载能力，证明了这种双悬臂结构是可行的。
桥梁结构的振动问题影响因素复杂，仅靠理论分析还不能满足工程应用的要求。为了测定该桥在动荷载作用下的真实情况，分别进行了跑车试验、刹车试验和跳车试验。根据控制断面在上述工况下的时程曲线图，分析确定了该桥的实际的冲击系数，并同理论设计时根据规范所取的冲击系数进行了比较。根据实测结果为公路管理、养护部门提出了有利的建议。
利用ANSYS软件建立了公和斜拉桥的空间有限元模型，并进行了理论上的模态分析，得到了该桥理论上的自振频率与振型。通过对公和桥实桥的脉动测试，分析确定了公和斜拉桥实测的模态参数(包括振型、频率以及阻尼比)。实测结果与理论计算结果的对比表明：该桥具有良好的动力性能。根据公和桥的结构特点，分析了产生这些振型的原因。
桥梁结构的阻尼因素十分复杂，本文通过脉动测试利用半功率点法得到了实测的阻尼比。实测结果表明：前5阶频率所对应的阻尼比的平均值在2.4％～5.9％之间，具有一定的离散性，而且随着自振频率的增加，阻尼比有减少的趋势。
Load test is an important testing method, which can provide advantageous and direct bases for administrators to evaluate carrying capacity of bridge. Especially for the new structure ,bridge design theory and working technics it can provide valid actual datum. Gonghe bridge is a double deck structure with single tower and single cable plane ,which regrads the nether cantalever as non-mobile roadway. This idea fully using the lower space is a new experiment and it need verifying in practice. Based on the method of modern bridge design, infinite element, random vibration ,vibration testing and analysis technology this paper studies and designs the load test plan of Gonghe Cable-stayed bridge by summarizing the load test plans of some concerned bridges.
Through the theoretical analysis of Gonghe bridge, this paper makes sure the controlling load and loading case under the condition of ensuring the load test efficiency. According to the results of comparison between the actual value and the theoretical value of the controlling section this paper makes clear the actual carrying capacity of bridge and verifies that this double-cantalever structure is viable.
The problem of bridge vibration is very complicated and the analysis in theory still can not meet the requirement of the engineering application. In order to test the actual condition when the bridge is forced by dynamical load, running test, braking test and jumping test are carried out respectively. According to the time-travel curve under the cases above-mentioned, the actual figure of impact coefficient comes out .At the same time this paper compares it with that in theory and brings forward beneficial advices for the road managing and maintaining department.
Theoretical mode analysis is made by establishing the dimensional infinite element model of Gonghe bridge with ANSYS software, thus natural vibration frequency and mode shape of Gonghe bridge theoretically are concluded. With pulsation measurement method this paper tests the actual mode parameters (including mode shape, natural vibration frequency and damping ratio). The comparison between actual results and those in theory indicates that this bridge is qualified with satisfactory dynamical peculiarity. Furthermore this paper analyses the causes that these mode shape lie in according to the structure characteristic of Gonghe bridge.
The damping factor of bridge structure is very complicated. By pulsation measurement with half power point method this paper gets the actual figures of damping ratio of 5 steps, which are between 2.4% ~5.9%. These figures are scattered and they have the descending tendency with the increment of natural vibration frequency.
通过对公和斜拉桥的理论分析，在保证荷载试验效果的前提下，确定试验的控制荷载和加载工况，将各种工况下结构控制截面的实际变形或者应力同理论计算值进行了比较，计算出结构的校验系数。根据计算得到的结构的校验系数，确定了该桥的实际承载能力，证明了这种双悬臂结构是可行的。
桥梁结构的振动问题影响因素复杂，仅靠理论分析还不能满足工程应用的要求。为了测定该桥在动荷载作用下的真实情况，分别进行了跑车试验、刹车试验和跳车试验。根据控制断面在上述工况下的时程曲线图，分析确定了该桥的实际的冲击系数，并同理论设计时根据规范所取的冲击系数进行了比较。根据实测结果为公路管理、养护部门提出了有利的建议。
利用ANSYS软件建立了公和斜拉桥的空间有限元模型，并进行了理论上的模态分析，得到了该桥理论上的自振频率与振型。通过对公和桥实桥的脉动测试，分析确定了公和斜拉桥实测的模态参数(包括振型、频率以及阻尼比)。实测结果与理论计算结果的对比表明：该桥具有良好的动力性能。根据公和桥的结构特点，分析了产生这些振型的原因。
桥梁结构的阻尼因素十分复杂，本文通过脉动测试利用半功率点法得到了实测的阻尼比。实测结果表明：前5阶频率所对应的阻尼比的平均值在2.4％～5.9％之间，具有一定的离散性，而且随着自振频率的增加，阻尼比有减少的趋势。
Load test is an important testing method, which can provide advantageous and direct bases for administrators to evaluate carrying capacity of bridge. Especially for the new structure ,bridge design theory and working technics it can provide valid actual datum. Gonghe bridge is a double deck structure with single tower and single cable plane ,which regrads the nether cantalever as non-mobile roadway. This idea fully using the lower space is a new experiment and it need verifying in practice. Based on the method of modern bridge design, infinite element, random vibration ,vibration testing and analysis technology this paper studies and designs the load test plan of Gonghe Cable-stayed bridge by summarizing the load test plans of some concerned bridges.
Through the theoretical analysis of Gonghe bridge, this paper makes sure the controlling load and loading case under the condition of ensuring the load test efficiency. According to the results of comparison between the actual value and the theoretical value of the controlling section this paper makes clear the actual carrying capacity of bridge and verifies that this double-cantalever structure is viable.
The problem of bridge vibration is very complicated and the analysis in theory still can not meet the requirement of the engineering application. In order to test the actual condition when the bridge is forced by dynamical load, running test, braking test and jumping test are carried out respectively. According to the time-travel curve under the cases above-mentioned, the actual figure of impact coefficient comes out .At the same time this paper compares it with that in theory and brings forward beneficial advices for the road managing and maintaining department.
Theoretical mode analysis is made by establishing the dimensional infinite element model of Gonghe bridge with ANSYS software, thus natural vibration frequency and mode shape of Gonghe bridge theoretically are concluded. With pulsation measurement method this paper tests the actual mode parameters (including mode shape, natural vibration frequency and damping ratio). The comparison between actual results and those in theory indicates that this bridge is qualified with satisfactory dynamical peculiarity. Furthermore this paper analyses the causes that these mode shape lie in according to the structure characteristic of Gonghe bridge.
The damping factor of bridge structure is very complicated. By pulsation measurement with half power point method this paper gets the actual figures of damping ratio of 5 steps, which are between 2.4% ~5.9%. These figures are scattered and they have the descending tendency with the increment of natural vibration frequency.
引文
[1] 王展意，我国公路桥梁建设的回顾与展望，中国公路学会桥梁和结构工程学会一九九九年桥梁学术讨论会论文集，北京：人民交通出版社，1～4
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[4] 党继红，桥梁检测可靠性的研究，中外公路，2002，22(2)，8～9
[5] 高怀志，王君杰，桥梁检测和状态评估研究与应用，世界地震工程，2000，16(2)，57～64
[6] 廖海峰，黄德义，混凝土桥梁的检测技术及其新发展论述，武汉交通管理干部学院学报，2000，2(4)
[7] 熊立辉，唐重光，桥梁荷载无损检测新法介绍，河南交通科技，2000，20(2)，21～22
[8] 大连理工大学土木建筑设计研究院，沈阳市市政工程设计研究院，沈阳市公和斜拉桥施工图设计，2000
[9] 徐日旭，王博仪，赵家奎，桥梁检验，北京：人民交通出版社，1984
[10] 刘自明，王邦楣，桥梁工程检测手册(第一版)，北京：人民交通出版社，2002
[11] 章关永，桥梁结构试验(第一版)，北京：人民交通出版社，2002
[12] 杨景义，王信义，试验模态分析(第一版)，北京：北京理工大学出版社，1990
[13] 方远翎，陈安宁，董卫平，振动模态分析技术(第一版)，北京：国防工业出版社，1993
[14] 李德葆，振动模态分析及其应用(第一版)，北京：宇航出版社，1989
[15] 李国强，李杰，工程结构动力检测理论与应用(第一版)，北京：科学出版社，2002
[16] DH—3815静态应变测试系统使用说明书，东华测试技术开发有限公司，江苏
[17] DH—5937动态应变测试系统使用说明书，东华测试技术开发有限公司，江苏
[18] 中华人民共和国交通部标准，公路桥涵设计通用规范(JTJ 021-89)，北京：人民交通出版社
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