利用桥墩动力响应反推输入激励的模型试验研究.pdf

桥梁建设2 0 1 6 年第4 6 卷第6 期 总第2 4 1 期 B r id g eC o n s t r u c t io n V 0 1 4 6 N o 6 2 0 1 6 T o t a l l yN o 2 4 1 7 3 文章编号 1 0 0 3 4 7 2 2 2 0 1 6 0 6 0 0 7 3 0 5 利用桥墩动力响应反推输入激励的模型试验研究 夏超逸1 崔茎鹏2 夏禾1 杜宪亭1 战家旺1 1 北京交通大学土木建筑工程学院 北京1 0 0 0 4 4 2 中交路桥技术有限公司 北京1 0 0 0 1 1 摘要 针对在撞击荷载作用下的车桥耦合振动分析中输入激励难以直接采集的情况 基于 模型试验提出利用桥墩动力响应反推输入激励 撞击力时程 的方法 利用车轨桥耦合试验平台对 一座下承式铁路钢桁拱桥模型进行试验 通过刚性模型汽车撞击桥墩 测试桥墩底部的动应变 反 推撞击部位的撞击力时程 将所获得的撞击力时程与力传感器直接采集的撞击力时程进行比较 结果表明二者匹配良好 且实测的桥墩一阶振动频率与有限元模拟结果吻合 验证了该方法的可行 性 建议将1 2 倍的计算力时程作为实际应用的撞击力时程 关键词 桥墩 撞击荷载 车桥耦合振动 动力响应 动应变 模型试验 中图分类号 U 4 4 3 2 2 U 4 4 6 1文献标志码 A M o d e lT e s tf o rR e v e r s e l yD e r iv in gP ie rI n p u t E x c it a t io nf r o mP ie rD y n a m icR e s p o n s e s X I AC h a o y il C U IK u n p e n g2 X I AH e l D U X ia n t in g1 Z H A NJ ia w a n g 1 1 S c h o o lo fC iv ilE n g in e e r in g B e ij in gJ ia o t o n gU n iv e r s it y B e ij in g1 0 0 0 4 4 C h in a 2 C C C CR o a da n dB r id g eC o n s u l t a n t sC o L t d B e iiin g1 0 0 0 11 C h in a A b s t r a c t A sitisd if f ic u l tt od ir e c t l ya c q u ir et h ep ie rin p u te x c it a t io nu n d e rt h ea c t io no fc o l l i d in gl o a dint h et r a ina n db r id g ec o u p l in gv ib r a t io na n a l y s is am e t h o df o rr e v e r s e l yd e r iv in gt h ein p u te x c it a t io n t h ec o l l id in gf o r c et im eh is t o r y f r o mt h ep ie rd y n a m icr e s p o n s e sb a s e do nt h em o d e lt e s tw a sp r o p o s e d T h et r a in t r a c ka n db r id g ec o u p l in gv ib r a t io nt e s tp l a t f o r mw a su s e dt oc a r r yo u tt h et e s to far a il w a yt h r o u g hs t e e lt r u s sa r c hb r id g em o d e l B yw a yo fc o l l id in ga g a in s tt h e p ie ro ft h em o d e l u s in gt h er ig idm o d e lt r u c k t h ed y n a m ics t r a in o ft h ef o o t in go ft h ep ie rw a s m e a s u r e da n dt h ec o l l id in gf o r c et im eh is t o r yo ft h ec o l l id e dp a r to ft h ep ie rw a sr e v e r s e l yd e r iv e d T h ed e r iv e dc o l l id in gf o r c et im eh is t o r yw a st h e nc o m p a r e dt ot h ec o l l id in gf o r c et im eh is t o r yd i r e c t l ya c q u ir e db yt h ef o r c es e n s o r s T h er e s u l t ss h o wt h a tt h et w ok in d so ft h ec o l l id in gf o r c et im e h is t o r ym a t c hw e l la n dt h em e a s u r e df ir s to r d e rv ib r a t io nf r e q u e n c yo ft h ep ie r isa l s oc o n s is t e n t w it ht h ef ir s to r d e rv ib r a t io nf r e q u e n c yo ft h ef in it ee l e m e n ts im u l a t io n v e r if y in gt h a tt h em e t h o d p r o p o s e dint h isp a p e risf e a s ib l e I tiSh e r e w it ha d v is e dt h a tt h e1 2 t im e so ft h ec a l c u l a t e df o r c e t im eh is t o r ys h o u l db eu s e da st h ec o l l id in gf o r c et im eh is t o r yint h ep r a c t ic a la p p l ic a t io n K e yw o r d s p ie r c o l l id in gl o a d t r a ina n db r id g ec o u p l in gv ib r a t io n d y n a m icr e s p o n s e d y n a m ics t r a in m o d e lt e s t 收稿日期 基金项目 作者简介 2 0 1 6 一0 1 一0 8 国家自然科学基金项目 5 1 3 0 8 0 3 5 国家重点基础研究计划 9 7 3 项日 2 0 13 C B 0 3 6 2 0 3 中央高校基本科研业务费专项资金 资助项目 2 0 1 4 J B M 0 9 2 P r o j e c to fN a t io n a lN a t u r a lS c ie n c eF o u n d a t io no fC h in a 5 13 0 8 0 3 5 lP r o j e c to fN a t io n a lK e yF u n d a m e n t a lR e s e a r c hD e v e l o p m e n tP r o g r a m P r o g r a m9 7 3 2 0 1 3 C B 0 3 6 2 0 3 P r o ie c to fF u n d a m e n t a lR e s e a r c hF u n d sf o rC e n t r a l I e v e lU n iv e r s it ie sa n dI n s t l t u t e s 2 0 1 4 J B M 0 9 2 夏超逸 副教授 E m a il x ia c y 8 8 1 6 3 c o r n 研究方向 桥梁结构振动 7 4 桥梁建设B r id g eC o n s t r u c t io n 1 引言 截止2 0 1 5 年底 在全国1 2 万公里铁路运营里 程中 高速铁路已经超过1 9 万公里 由于高速铁 路采用全封闭的行车模式 建设中大量使用桥梁结 构代替路基 因此对高速铁路车桥耦合振动问题的 研究显得十分重要 对于高速铁路车桥耦合振动以 及风 地震等作用下的高速铁路车桥耦合振动已有 很多研究 关于撞击荷载作用下的高速铁路桥梁振 动 国内外许多学者也进行了一定的探索研究口 3 夏超逸等 4 将撞击力以节点力时程形式施加到桥梁 节点 进一步研究了撞击荷载作用下的桥梁动力响 应及列车运行安全问题 在撞击荷载作用下的车桥耦合振动分析中 需 要输入撞击荷载激励 由于撞击力时程复杂 很难 用传感器直接测量出来 尤其是在实际工程中 直接 采集效果很差 宗周红 许肇峰等 6 7 基于动态称 重系统实测数据和动力影响线理论 反演出桥梁上 运行的车辆参数 结果准确高效 借鉴该思路 针对 桥墩结构特点和碰撞激励特征 本文提出一种通过 桥墩动力响应反推输入激励的方法确定车桥系统中 的撞击荷载 利用车轨桥耦合试验平台对一座下承 式铁路钢桁拱桥模型进行试验 通过刚性模型汽车 撞击桥墩测试控制点动应变反推撞击力时程 通过 与力传感器采集的撞击力时程进行比较分析 验证 该方法的可行性 2 试验概况 试验模型为一座下承式铁路钢桁拱桥 拱桥总 体布置见图1 主梁长8m 由4 根1 0 号工字钢焊 接而成 主拱圈矢高1 5m 由2 片拱肋组成 拱肋 采用5 0m m 5 0m m 的方形钢管 壁厚4m m 拱肋 间设横向联系 在主梁双侧每隔0 5m 设置1 根吊 杆 吊杆直径1 5c m 主梁两端由2 个桥墩支承 桥墩采用圆形钢管 外径3 2 5c m 壁厚0 6c m 底 端与地面固定 桥梁支座一端固定一端滑动 梁上 铺设1 0m m 厚的聚乙烯整体道床板 在板上铺设钢 轨 轨距为实际线路上轨道间距的1 1 0 即1 4 3 5 m m 试验在车轨桥耦合振动试验平台进行 桥墩一 侧设简易滑道 模型汽车沿简易轨道滑落撞击桥墩 撞击处 测点B 布置I N VD F C 一2 型高弹性聚能力 锤传感器采集撞击力时程 应变电测在采取抵消环 境因素影响 优化桥路和测点等措施的基础上 测试 结果会最大限度接近于真值 由于短时间内应变片 b 拱肋横向联系平面 U 3 l 鲁I E 三三三三三三奎薹薹霾薹翔疑 c 桥面平面单位 r il l n 图1 模型拱桥总体布置 F ig 1 G e n e r a lL a y o u to fM o d e lA r c hB r id g e 测量动应变受温度影响较小 为简化研究且不失一 般性 试验选取1 4 桥路的惠斯通电桥连接方式 8 即用1 只应变片贴在桥墩底部 测点A 测量弯曲应 变 反推撞击力时程 试验平台及数据采集系统见 图2 桥梁各测点编号见图3 墩顶布置横向加速度 和位移测点C D 分别采用泰测T G G P A 型加速度 传感器和L V D T 型差动变压器式位移计测试 试验 数据由I N V 3 0 2 0 C 型动态数据处理系统采集分析 图2 试验平台和数据采集系统 F ig 2T e s tP l a t f o r ma n dD a t aA c q u is it io nS y s t e m 3 试验结果及分析 3 1 动应变和撞击力波形比较 从动态数据采集分析系统截取模型某一次汽车 撞击桥墩时 1 7 9 6 1 7 9 8s 的撞击力时程和墩底 动应变 见图4 对应撞击力峰值为98 1 7N 动应变 峰值为3 4 6 2 肚 由图4 可知 汽车撞击桥墩以后 桥墩几乎没有 机械滞后 动应变和撞击力采样频率均为10 2 4 H z 撞击力出现峰值时 动应变随之出现峰值 其波 形吻合也较好 并且激励越充分 试验效果越好 根据C h o p r a 等的研究 9 当脉冲持续时间比结 利用桥墩动力响应反推输入激励的模型试验研究夏超逸 崔垄鹏 夏禾 杜宪亭 战家旺 7 5 兰 制 词 幅 世 登 图3 模型试验测点布置 F ig 3L a y o u to fM e a s u r in gP o in t so fM o d e lT e s t 时间 s a 墩底动应变 时间 s b 撞击力时程 图4 某一时刻撞击力时程和动应变 F ig 4C o l l id in gF o r c eT im eH is t o r ya n d D y n a m icS t r a ina taG iv e nT im e 构振动周期一半短时 体系的整体最大反应发生在 其自由振动阶段 并受脉冲的时间积分控制 由于 汽车撞击过程往往是瞬态的 只有0 2S 小于大多数 桥梁结构周期的一半 8 因此 对于汽车撞击荷载采 用上述理论求解相关问题是合适的 对于其他持续 时间较短的撞击荷载 如流冰撞击 持续时间0 0 5 0 5S 5 1 理论上也是可行的 而对于持续时间较长 的撞击荷载 如船舶撞击 持续时间3 4S 5 其准 确性有待进一步研究 3 2 根据动应变计算撞击力原理及计算结果 经推导 根据动应变求解撞击力F 的公式为 F 一等 式中 E 为桥墩弹性模量 j 为桥墩惯性矩 s 为测量 应变 D 为空心钢管桥墩外径 h 为撞击点离应变测 点位置 根据动应变 的每个测量值 可以分别计算出 对应的撞击力F 从而得到撞击力时程 将根据墩底动应变计算的撞击力时程峰值和力 传感器直接采集的撞击力时程峰值进行对比 见图 5 分别取1 2 倍和0 8 倍力传感器采集的撞击力 时程峰值作为平行包络线的上限和下限 0 24681 01 21 41 61 82 02 22 4 动应变测试次数 次 图5根据动应变计算撞击力时程峰值包络图 F ig 5 P e a kV a l u eE n v e l o p eo fC o l l id in gF o r c e T im eH is t o r yC a l c u l a t e df r o mD y n a m icS t r a in 由图5 可知 根据动应变计算的撞击力峰值除 在激励较小的情况下 10 0 0 30 0 0N 时 超过了上 包络线2 0 左右外 其余基本在2 条包络线之内 因此 在撞击荷载作用下难以采用力传感器直接采 集撞击力时程的情况下 根据动应变反推撞击力时 程是可行的 建议设置一个1 2 倍的放大系数 即 将1 2 倍的计算力时程作为实际应用的撞击力时程 3 3 模态分析 忽略桥上轨道对桥梁影响 用M I D A S 建立桥 梁模型口 进行模态分析 图6 得出该桥一阶振动 模态为桥墩横向振动 频率为1 2 7 7H z 图6M I D A S 模态分析 F ig 6M o d a lA n a l y s iso fM I D A S C iv il 提取试验墩墩顶位移时程进行一次微分得到速 度时程 再进行快速傅里叶变换 F F T 得到桥墩频 谱响应 桥墩横向振动主频为1 3H z 3 见图7 7 6 桥梁建设B r id g eC o n s t r u c t io n 2 0 1 6 4 6 6 雷 n 2 趔 磐 01 02 03 04 05 06 07 08 0 频率 H z 图7 速度频谱 F ig 7V e l o c it yF r e q u e n c yS p e c t r u m 数值模拟和试验得出的桥墩横向振动主频较为 匹配 在频域范围内一定程度上验证了试验的可 靠性 4 结论与建议 本文通过模型试验 获取模型汽车撞击桥墩过 程中桥墩底部的动应变 反推出撞击处的撞击力时 程 与力传感器直接采集的力时程峰值进行比较 发 现匹配较好 由此说明 基于测试撞击作用下的桥 墩动应变 通过动应变反推输入激励的方法是车桥 耦合振动分析中确定撞击荷载的一种有效途径 另 外 建议设置一个1 2 倍的放大系数 即将1 2 倍的 计算力时程作为实际应用的撞击力时程 需要说明的是 模型试验中采用了简化的刚性 车体 未能考虑车体变形以及材料的相似相容性 桥 墩底部与地面采取固结形式 没有考虑地基土变形 等影响因素 然而撞击过程本身是一个复杂的大变 形大应变非线性问题 在后续研究工作中 应该考虑 上述因素进行现场或更为详细的模型试验研究 并 在频域内探讨上述方法采集撞击力时程的匹配 程度 参考文献 R e f e r e n c e s 1 2 X iaCY X iaH Z h a n gN e t a l E f f e c to fT r u c kC o l l is io no nt h eD y n a m icR e s p o n s eo fT r a in B r id g e S y s t e r n sa n dR u n n in gS a f e t yo fH ig h S p e e dT r a in s J I n t e r n a t io n a lJ o u r n a lo fS t r u c t u r a lS t a b il it ya n dD y n a m ic s 2 0 1 3 1 3 3 l 一1 8 耿波 徐龙 粉房湾长江大桥船撞风险分析与设 防标准研究 J 桥梁建设 2 0 1 2 4 2 S 1 7 1 2 G E N GB o X UL o n g R is kA n a l y s isa n dP r o t e c t io n C r it e r iaS t u d yo fS h ipC o l l is io no f F e n f a n g w a n 3 4 5 6 7 1 8 9 1 1 0 C h a n g jia n g R iv e rB r id g e J B r id g eC o n s t r u c t io n 2 0 1 2 4 2 S 1 7 1 2 inC h in e s e 冯玉涛 曹正洲 马奎 等 粉房湾长江大桥防船撞 设计 J 桥梁建设 2 0 1 2 4 2 S 1 2 8 3 2 F E N GY u t a o C A 0 Z h e n g z h o u M AK u i e ta 1 D e s ig no fS h ipC o l l is io nP r o t e c t io nf o rF e n f a n g w a n C h a n g j ia n gR iv e rB r id g e J B r id g eC o n s t r u c t io n 2 0 1 2 4 2 S 1 2 8 3 2 inC h in e s e X iaCY X iaH D eR o e c kG D y n a m icR e s p o n s eo fa T r a in B r id g eS y s t e mU n d e rC o l l is io nL o a d sa n dR u n n in gS a f e t yE v a l u a t io no fH ig h S p e e dT r a in s J C o m p u t e r sa n dS t r u c t u r e s 2 0 1 4 1 4 0 2 3 3 8 夏超逸 撞击荷载作用下车桥系统动力响应及高速列 车行车安全研究 博士学位论文 D 北京 北京交通 大学 2 0 1 2 X I AC h a o y i S t u d yo fD y n a m icR e s p o n s e so fT r a in B r id g eS y s t e ma n dR u n n in gS a f e t yo fH ig h S p e e d T r a in sU n d e rA c t io no fC o l l is io nL o a d D o c t o r a t eD is s e r t a t io n D B e ij in g B e ij in gJ ia o t o n gU n iv e r s it y 2 0 1 2 inC h in e s e 宗周红 李峰峰 夏叶飞 等 基于W I M 的新沂河大桥 车辆荷载模型研究 J 桥梁建设 2 0 1 3 4 3 5 2 9 3 6 Z O N GZ h o u h o n g L IF e n g f e n g X I AY e f e i e ta 1 S t u d yo fV e h ic l eL o a dM o d e l sf o rX in y iR iv e rB r id g e B a s e do nW I MD a t a J1 B r id g eC o n s t r u c t io n 2 013 4 3 5 2 9 3 6 inC h in e s e 许肇峰 王强 刘仰韶 基于W I M 的广东省公路桥 梁车辆荷载模型研究 J 桥梁建设 2 0 1 2 4 2 6 3 9 4 4 X UZ h a o f e n g W A N G Q ia n g L I UY a n g s h a o R e s e a r c ho fV e h ic l eL o a dM o d e lf o rH ig h w a yB r id g e sin G u a n g d o n gP r o v in c eB a s e do nW I MD a t a J1 B r id g e C o n s t r u c t io n 2 0 1 2 4 2 6 3 9 4 4 inC h in e s e 计欣华 邓纵白 鲁阳 等 工程试验力学 M 北 京 机械工业出版社 2 0 1 2 J IX in h u a D E N GZ o n g b a i L UY a n g e ta 1 E n g i n e e r in gE x p e r im e n tM e c h a n ic s M B e ijin g C h in a M a c h in eP r e s s 2 0 1 2 inC h in e s e C h o p r aAK D y n a m ic so fS t r u c t u r e s T h e o r ya n dA p p l ic a t io n s t o E a r t h q u a k eE n g in e e r in g 4 t hE d it io n M U p p e rS a d d l eR iv e r N e wJ e r s e y P r e n t ic e H a l l 2 0 1 2 崔垄鹏 夏超逸 刘炎海 等 高速铁路桥墩汽车撞击 力的数值模拟与特性分析 J 桥梁建设 2 0 1 3 4 3 6 5 7 6 3 C U IK u n p e n g X I AC h a o y i L I UY a n h a i e ta 1 N u m e r ic a lS im u l a t io na n dC h a r a c t e r is t icA n a l y s iso f 撕 加 坫 m 0 利用桥墩动力响应反推输入激励的模型试验研究夏超逸 崔垄鹏 夏禾 杜宪亭 战家旺 7 7 T r u c kC o l l is io nF o r c e so nH ig h S p e e d R a il w a yB r id g e P ie r J B r id g eC o n s t r u c t io n 2 0 1 3 4 3 6 5 7 6 3 inC h in e s e E 1 1 战家旺 夏禾 张楠 等 一种基于冲击振动响应 分析的桥梁橡胶支座病害诊断方法 J 振动与冲 击 2 0 1 3 3 2 8