公路橋梁工程的動載試驗研究

吳建奇，鄭 曉，張婷婷

(1.江西理工大學(xué) 環(huán)境與建筑工程學(xué)院，江西 贛州 341000;2.江西理工大學(xué) 經(jīng)濟管理學(xué)院，江西 贛州 341000;3.山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，濟南 250101)

公路橋梁工程的動載試驗研究

吳建奇1，鄭 曉2，張婷婷3

(1.江西理工大學(xué) 環(huán)境與建筑工程學(xué)院，江西 贛州 341000;2.江西理工大學(xué) 經(jīng)濟管理學(xué)院，江西 贛州 341000;3.山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，濟南 250101)

橋梁檢測是保證橋梁安全運營的重要手段。在所有橋梁檢測項目中，動載試驗?zāi)軌蛟u定橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性和車輛動力荷載與橋梁結(jié)構(gòu)的聯(lián)合振動特性，其測試數(shù)據(jù)是判斷橋梁結(jié)構(gòu)運營狀況和承載特性的重要指標。本文結(jié)合西場溝橋梁檢測的實際案例，著重分析動載試驗的檢測內(nèi)容和安全鑒定，為以后橋梁檢測中的動載試驗提供一些參考。

橋梁檢測 動載試驗 自振 強迫振動

橋梁的動載試驗是將動荷載作用在橋梁的指定位置，測定橋梁結(jié)構(gòu)自振頻率、阻尼比和沖擊系數(shù)等，它是了解橋梁實際工作狀態(tài)和承載能力的直接手段。動載試驗可獲得一些理論上難以計算部位的受力狀態(tài)，判定橋梁的安全承載能力，還能夠發(fā)現(xiàn)一般檢查和檢測中難以發(fā)現(xiàn)的隱蔽病害。掌握被檢測橋跨結(jié)構(gòu)在設(shè)計荷載作用下的實際工作性能，對橋梁結(jié)構(gòu)做出總體評價，為橋梁的維護、改建、加固提供依據(jù)。

西場溝中橋位于內(nèi)蒙古達拉特旗境內(nèi)，為德薩線(德勝西—薩拉齊)上的一座主要橋梁。該橋上部結(jié)構(gòu)為20 m預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，下部結(jié)構(gòu)為雙柱式墩，肋式臺，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋梁的設(shè)計標準是：①設(shè)計荷載：公路Ⅱ級汽車荷載;②橋面寬度：凈9.0 m+2×0.5 m;③設(shè)計洪水位：100年一遇;④抗震設(shè)防烈度：8度;⑤地質(zhì)情況：典型粉砂土地基。

1 動載試驗

眾所周知，當外界的強迫振動源，如風(fēng)、車輛等的頻率與橋跨結(jié)構(gòu)的自振頻率相等時，會引起過大的共振振幅從而危及橋梁的使用安全。當車輛以某一速度通過橋面，產(chǎn)生的動荷載的頻率趨近于橋梁結(jié)構(gòu)的自振頻率時，這時的車速稱為臨界車速。由臨界車速引起的共振會使橋梁產(chǎn)生過大的振幅和動應(yīng)力，對橋梁的動響應(yīng)造成擴大效應(yīng)，在橋梁工程中，通常用沖擊系數(shù)來表示這種擴大效應(yīng)。橋梁檢測的動載試驗，一般都是以測定橋梁的沖擊系數(shù)為主要工作。總的來講，橋梁的動載試驗一般包括以下內(nèi)容：①測定橋跨結(jié)構(gòu)在車輛荷載下的強迫振動特性，如沖擊系數(shù)、強迫振動頻率、動位移和動應(yīng)力等;②測定橋跨結(jié)構(gòu)的自振特性，如自振頻率、振型和阻尼特性等。

為進行動載試驗，首先必須使橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動，然后通過儀器記錄下結(jié)構(gòu)的振動時程曲線，再通過專門的FPT(快速傅立葉轉(zhuǎn)換)儀器，分析出結(jié)構(gòu)的各項振動特性。有兩種方法可模擬外界對結(jié)構(gòu)的動力激振，包括穩(wěn)態(tài)激振和脈動激振：穩(wěn)態(tài)激振一般是使用一輛或多輛并行滿載車列以不同速度過橋或在橋上制動，脈動激振則一般直接利用外界隨機振源激振。

本文的橋梁檢測主要包括以下幾個方面內(nèi)容：①模態(tài)試驗，當橋面上無汽車行駛并且橋梁不受其他較大的(或者人為的)周期性干擾力時，在風(fēng)、地面微振等環(huán)境因素的作用下，橋梁在其固有頻率附近隨機振動。因此，可以利用自然脈動激勵橋梁，通過脈動測試測量橋梁的響應(yīng)，分析橋梁的固有模態(tài)特性并且確定結(jié)構(gòu)的固有頻率。②跑車試驗，橋上跑車試驗主要是測試汽車在橋上通過時，橋梁結(jié)構(gòu)的強迫振動響應(yīng)，以及激勵后(車輛通過后)振動衰減情況。本文中以單輛車(300 kN)和兩輛并行的車以10～40 km/h的速度行駛過全橋，測量橋梁中跨跨中位置振動響應(yīng)。③跳車試驗，跳車試驗要測試汽車跨過15 cm高跳板后制動，測量此時橋跨結(jié)構(gòu)在附加汽車質(zhì)量情況下的衰減振動，確定橋梁的沖擊系數(shù)，用以分析橋梁結(jié)構(gòu)的振動性質(zhì)。本文中以單輛車(200 kN)在橋梁中跨跨中位置越過15 cm的木方，測量橋梁的振動響應(yīng)，分析橋梁結(jié)構(gòu)振動特性。

2 動載試驗測量結(jié)果及分析

2.1 動載性能評定依據(jù)

圖1 衰減曲線

2.2 模態(tài)試驗測量結(jié)果

通過自然激勵響應(yīng)測得數(shù)據(jù)，經(jīng)模態(tài)辨識及理論計算，得到一階模態(tài)頻率和阻尼比系數(shù)，見表1。

表1 結(jié)構(gòu)一階模態(tài)動力參數(shù)

2.3 跳車實驗測量結(jié)果

經(jīng)過模態(tài)識別以及理論計算，得到第2孔試驗數(shù)據(jù)，見表2。第2孔測試跳車引起的動速度及動撓度的信號見圖2和圖3。

表2 跳車引起的結(jié)構(gòu)動力參數(shù)

圖2 第二孔跳車試驗1/2跨波形

圖3 第二孔跳車試驗蓋梁波形

2.4 跑車試驗

跑車試驗得到10 km/h，20 km/h，30 km/h和40 km/h速度時簡支板跨中、1/4跨及蓋梁跨中截面動撓度及動速度豎向振動響應(yīng)。由于篇幅原因，本文僅列舉30 km/h簡支板跨中及蓋梁跨中截面動速度及動撓度的豎向振動信號見圖4、圖5。

圖4 第二孔行車試驗1/2跨波形(30 km/h)

圖5 第二孔行車試驗蓋梁波形(30 km/h)

300 kN重的車輛以不同的速度行駛過跨中時所得的動力相關(guān)系數(shù)如表3所示。

表3 第2跨跨中行車相關(guān)動力參數(shù)

2.5 動載試驗的結(jié)果評定

1)該橋結(jié)構(gòu)的實測頻率第4孔為2.89 Hz，與結(jié)構(gòu)一階頻率分析值3.0 Hz比較，實測值較小，說明橋梁結(jié)構(gòu)具有一定的剛度儲備。

2)動力沖擊系數(shù)的實測值適中，說明結(jié)構(gòu)的行車性能較好，橋面平整程度較好。

3)根據(jù)實測加速度量值的大小，顯示該橋梁結(jié)構(gòu)的行車舒適性較好。

4)橋梁結(jié)構(gòu)的阻尼比在0.01～0.08之間，本次實測阻尼比為0.138 8，屬較大。說明該橋梁振動衰減得較慢，結(jié)構(gòu)耗散外部能量輸入的能力較弱。

3 結(jié)語

橋梁檢測是一項復(fù)雜而細致的工作，要求檢測方案要盡量模擬真實荷載情況，檢測人員具有豐富的檢測技術(shù)和經(jīng)驗。近年來我國在橋梁檢測、評估方面逐漸積累豐富資料和經(jīng)驗，橋梁工程的重點已逐步向橋梁的檢測維修與加固方面發(fā)展。

本文結(jié)合工程實際，討論了橋梁檢測中動載試驗檢測內(nèi)容和安全鑒定方法，并且給出了一些有意義的檢測準則和參數(shù)，希望能夠為以后的橋梁檢測工作提供一些經(jīng)驗。

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U446

B

1003-1995(2011)03-0026-03

2010-09-15;

2010-12-02

江西省教育廳科技項目(GJJ10485;GJJ09252)。

吳建奇(1980— )，男，江西萍鄉(xiāng)人，講師，碩士。

(責(zé)任審編 趙其文)