﻿ 大跨度拼装式钢桥导梁推送过程动力特性有限元分析及模态试验

# 大跨度拼装式钢桥导梁推送过程动力特性有限元分析及模态试验Finite Element Analysis and Modal Test of Dynamic Properties of the Large Span Assembly Type Steel Bridge during the Guide Beam Pushing Process

Abstract: Structure vibration of the large span assembly type steel bridge during the guide beam pushing process is obvious. The dynamic analysis model based on the spatial beam element and spatial shell element of the typical condition in the guide beam pushing process is established by the finite element software. The wireless ambient excitation modal test system is employed to test the natural vibration characteristics of the structure. Then the dynamic test results are compared with the finite element calculation results, which derives the dynamic properties of the structure and verifies the correctness of the finite element model. The study results of this paper could provide reference for dynamic modeling, dynamics analysis, vibration control, wind-resistance design etc. of this type of bridge.

1. 引言

2. 导梁推送过程模态分析典型工况

3. 有限元动态分析模型

3.1. 有限元动力学基本方程

$M\stackrel{¨}{y}\left(t\right)+C\stackrel{˙}{y}\left(t\right)+Ky\left(t\right)=F\left(t\right)$ (1)

$\left(K-{\omega }_{i}^{2}M\right){\phi }_{i}=0$ (2)

3.2. 有限元模型

4. 典型工况自振特性测试

4.1. 测试方法

4.2. 测试仪器及测试参数

Figure 1. Typical condition of the guide beam pushing process

Figure 2. Finite element model of the typical condition of the guide beam pushing process

4.3. 测点布置

4.4. 测试结果

(a) 通讯控制器 (b) 测试参考点 (c) 某移动测点

Figure 3. Related pictures of the test scene

Figure 4. Distribution of test points

(a) 竖向振动速度时程曲线 (b) 横向振动速度时程曲线

Figure 5. Vertical and horizontal vibration velocity time history curve of the test point C2 in the first set of tests

5. 有限元计算结果与试验结果对比分析

1) 通过试验测得的结构振动频率值与计算值比较接近，最大误差的绝对值为12.20%，最小误差的绝对值为1.66%。试验结果与计算结果存在误差主要有两方面的原因：一是计算中对结构进行了简化；二是由于试验条件限制，布置的测点有限。但误差处于桥梁模态试验允许和工程可控的范围 [4] [7] ，说明有限元模型与实际结构的动态受力基本一致，两者得到了相互验证。因此，试验结果和有限元计算结果比

(a) 竖向振动频谱图 (b) 横向振动频谱图

Figure 6. Vertical and horizontal spectrum of the reference point C1 and the test point C2 in the first set of tests

Table 1. Comparison between the computational and experimental results of the structure dynamic properties

(a) 一阶振型 (b) 二阶振型
(c) 四阶振型 (d) 五阶振型
(e) 六阶振型 (f) 八阶振型
(g) 九阶振型 (h) 十一阶振型
(i) 十二阶振型 (j) 十四阶振型

Figure 7. Comparison between the finite element computational vibration mode and measured mode

2) 结构呈明显的低频、密频特点。一阶振动频率实测值为0.586 Hz，振型为横向弯曲与扭转的耦合；竖向振动的基频为0.965 Hz，振型为反对称竖弯；除结构一阶整体竖弯外，其它振型均为横弯或竖弯与扭转的耦合，说明结构的抗扭能力较弱，这主要是因为桥跨与导梁间的所有自动销和手动销均已解除，结构的整体性相对较差。由图7可看出实测振型与计算振型吻合良好。

3) 对于不同的振型，结构有不同的阻尼比，结构的实测阻尼比没有明显的变化规律。第一阶振动的阻尼比最大，为5.59%，结构的各阶实测阻尼比均处于正常范围内。

6. 结论

1) 无线环境激励测试系统能够快速有效地进行大跨度拼装式钢桥导梁推送过程典型工况的模态试验，识别出主要的模态参数。

2) 结构的一阶振型为横向弯曲与扭转的组合，符合大跨度桁架桥的特征；结构跨度较大，呈现低频、密频的特点，且抗扭能力较弱。

3) 结构振动频率的计算值与试验值比较接近，最大误差的绝对值为12.20%，处于模态试验允许和工程可控范围内，相应的振型出现的先后顺序以及形状吻合良好。

4) 本文研究结果可为拼装式桥梁结构架设过程的动态测试、动态建模、动态特性分析、抗震抗风设计等提供一定的参考依据。

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