《结构动力学》
课程论文
结构动力学在道路桥梁方面的应用
摘要：随着大跨径桥梁结构在工程中的应用日趋广泛，施工控制问题也越来越受重视。
结构动力学在各方面都有极为重要的作用，其特性也被广泛应用于桥梁结构技术状态评估中。
结构动力学在道路桥梁方面应用十分广泛，比如有限元模型、模态挠度法、桥梁结构（强度、稳定性等）、状态评估、结构模态、结构自由衰减响应及其在结构阻尼识别中的应用、结构无阻尼固有频率与有阻尼固有频率的关系及其应用等，尤其是结合桥梁的检测、桥梁荷载试验与状态评价。
本文就其部分内容进行介绍。
关键词：结构动力学道路桥梁应用
如今，科学技术越发先进，结构动力特性越来越广泛地应用于桥梁结构抗震设计、桥梁结构故障诊断和桥梁结构健康状态监测等工程技术领域,由此应用而涉及到的一些动力学基本概念理解的问题应运而生。
对于此类知识，我了解的甚少，上课期间，老师虽有讲过这相关内容，但无奈我学到的只是皮毛。
我记忆最深的是老师给我们放的相关视频，有汶川地震的，有桥梁施工过程的，还有很多因强度或是稳定性收到破坏而倒塌的桥梁照片。
老师还告诉了我们修建建筑物的原则：需做到小震不坏，中震可修，大震不倒。
还有强剪弱弯，强柱弱梁，强结点强锚固。
桥梁在静止不受外力扰动时是不会破坏的，大多时候在静止的荷载作用下也不会发生破坏，但当桥梁受到动力荷载时就很容易发生破坏了，所以我们在修建桥梁是必须事先计算好最佳强度等等需要考虑的量。
下面简单介绍一下结构固有频率及其应用和弹性模量动态测试。
1.结构固有频率及其应用
随着对结构动力特性的深入研究,其被越来越广泛地应用于结构有限元模型修正、结构损伤识别、结构健康状态监测等研究领域.一般情况下,由于结构阻尼较小,因此在结构动力特性的计算分析中,往往不计及结构阻尼以得到结构的振型和无阻尼的固有频率fnj(j=1,2,∧∧);而在结构的动态特性的试验中,识别的却是结构有阻尼的固有频率fdj.理论上有[1,2]fdj<fnj。
在目前桥梁结构的检测中,常常利用结构的实测固有频率与计算固有频率之比来评价桥梁结构整体性能和技术状况[3]。
结构有限元分析结果的正确性,有赖于模型边界的合理简化、材料物性参数的取值等因素;特别是混凝土构造物,其实
际弹性模量值往往比设计弹性模量值要大许多,且混凝土标号越高,这种差异就越大.当混凝土结构有限元分析模型中选用设计弹性模量值时,绝大多数情况下可得到fdj>fn。
然而,另一不被人们充分认识、不可原谅的错误悄然发生.在桥梁结构动、静力荷载试验中,在进行结构动力分析的同时还将进行结构静力计算,即利用同一有限元分析模型,还将计算桥梁结构荷载作用下的变形、应变和应力等.在桥梁结构的荷载试验中涉及到一个重要的概念:桥梁荷载校验系数。
它是桥梁结构试验荷载下实测应变或变位值与桥梁结构试验荷载下计算应变或变位值的比值。
它是评定桥梁结构工作状况、确定桥梁承载力的一个重要指标。
理论上讲,荷载校验系数应该接近于1,这才表明桥梁结构理论分析与试验结果是基本一致的.而在动力分析fdj>fnj的有限元模型支配下,无论选用挠度(变形)、应变或应力哪一物理量,通过静力计算所得到的桥梁荷载校验系数一般会小于1,不可能不满下表：
桥梁类型应力(或应变)校验系数挠度校验系数钢筋混凝土板桥 0.30~0.70 0.40~0.80 钢筋混凝土梁桥 0.40~0.80 0.50~0.90 预应力混凝土桥 0.50~0.90 0.60~1.00 圬工拱桥 0.60~1.00 0.60~1.00 挠度(变形)、应变或应力某些物理量的计算结果或试验测试结果会有较大的误差(仅当fdj>fnj的情况),偏离了真值,具体分析见下表：
类别计算值Se 实测值Ss 校验系数 结论
挠度偏大基本准确偏小满足上表
应变偏大基本准确偏小满足上表
应力基本准确偏小偏小满足上表
因此，仅从荷载校验系数来看,现有的桥梁评价结果并不能反应桥梁结构真实的技术状态,其评价结果可能会埋下灾难性的后果.因此,为了在理论上使荷载校验系数更接近于1,结构有限元模型修正的意义凸显出来.在结构动力计算得到结构无阻尼固有频率fnj和结构动态特性试验识别出结构有阻尼固有频率fdj 后,适当调整结构有限元分析模型的边界条件或修正物理参数,再利用修正后的结构模型进行结构静力分析[4],得到静载作用下桥梁结构的位移、应变或应力,然
后计算出应力(应变)校验系数或挠度校验系数来评定桥梁结构工作状况和确定桥梁的承载力。
2、弹性模量动态测试
在桥梁结构的荷载试验中,混凝土构件弹性模量的取值,直接关乎到荷载校验系数的准确性,乃至对桥梁结构技术状态的正确评价.在进行结构有限元模型修正时,若前几阶低阶模态均满足其公式,其技术难度在于要对结构进行试验模态分析,以识别结构各阶模态的阻尼比,试验技术要求高.利用钻芯法尽管可现场提取混凝土构件试样而进行弹性模量的测试试验,可要求试样数量多、试验值离散性大,且取样工作操作不便、难度较大。
利用超声脉冲回波法,通过现场测试混凝土构件发射波与反射波的时间差,可计算出混凝土介质中纵波的传播速度vl,再由公式推算出混凝土构件的弹性模量.该方法简便可行,然后与前一公式配合使用,从而使桥梁结构的荷载试验更加科学、可行、可靠。
3、公路桥梁检验
结构动力学能够评定桥梁的承载能力和耐久性能。
公路桥梁检验包括桥梁结构的检查和验算，以及桥梁荷载试验和量测等。
例如1850年英国建造的最大跨径为140米的箱形连续梁铁路桥（不列颠桥），原设计是一座有加劲梁的吊桥，在建造过程中，曾进行荷载试验，并改变了原设计方案。
检验程序首先检查桥梁各部构造的技术状况，然后根据桥梁的现状进行结构检算。
初建的新型桥梁和缺乏技术资料的旧桥，必要时需进行荷载试验。
通过桥梁结构的变位（线位移和角位移）、应变(或转换为应力)、动力特性参量(频率、振幅、阻尼比和动力系数等)、裂缝和损害等项目的检测，来证实桥梁在强度、刚度、稳定性、耐久性和动力性能等方面能否满足安全运营的要求。
检验内容包括桥梁结构检查和荷载试验。
结构检查主要内容有：①桥梁上部结构和下部结构总体尺寸和变位的状况的检查；②桥梁承重构件截面尺寸及其细部组合的偏差检查;③桥面的平整度检查;④材料的物理力学性能和可能存在的裂缝、缺陷、渗漏、锈蚀和侵蚀等损害的检查；⑤必要时还进行地基和河床冲刷等状况的复查。
荷载实验桥梁静力荷载试验的加载设备常用大型货车、拖挂车、翻斗车、
水车和施工机械等各种普通装载车；也有专用的单轴或多轴加载挂车和测定结构影响线的自行式单点荷载设备；有的场合也用压重物等。
桥梁自振特性的试验测定方法大致有三类：第一类是常用的突然加载或卸载的方法激振桥梁，如跳车、释放、撞击和小火箭等冲击荷载；第二类用运转频率可调的起振机或专用的单轴电-液惯性加振挂车进行谐振试验;第三类用脉动信号测试与分析的方法，用磁带机记录桥梁无载时的脉动随机信息，并用信号处理机进行谱分析，可取得多阶振型的特征值。
桥梁受迫振动响应的试验测定常用接近运营条件的车辆，以不同车速通过桥梁进行行车试验，测定桥梁的动力系数与车速的关系；或在桥梁动力响应最大的部位进行起动或刹车试验；也可利用平时交通荷载或风荷载等随机荷载，测定桥梁随机振动的响应。
如果桥梁检验评定结果不能满足运营安全性和耐久性的要求，那末，就需根据检验评定结果采取必要的措施，如降低通行载重量，限制车速和进行必要的修理或加固等。
结构动力学在道路桥梁方面的应用还有很多，已经发现的或是等待研究发现的都是极有价值的东西，与我们的生活也是息息相关的。
相信今后的研究会更深更精确，技术会越来越好。
参考文献：
【1】马尚君;刘更;周建星;赵阳东;辐板式人字齿轮结构稳态响应特性研究[J];机械科学与技术;2010年02期
【2】梅早临;;大跨度T构连续梁振动模态分析[J];山西建筑;2010年06期
【3】秦力;贾小刚;杨延波;;剪力墙平面布置对异形柱框剪结构地震响应的影响分析[J];建筑结构;2010年01期
【4】张起勋;于海业;;太阳自动跟踪机构安全性模拟分析[J];吉林大学学报(工学版);2010年02 期。