橋梁墩柱損傷動力測試分析及評價

韓之江，王易陽，呂立寧

(1.山西省交通科學研究院黃土地區公路建設與養護技術交通行業重點實驗室，太原 030006;2.河海大學大禹學院，南京 210098)

隨著交通建設事業的飛速發展，橋梁結構作為公路的咽喉，安全性日益引起大家的關注。對于大型橋梁結構損傷的準確判定是當前工程界的一個難點和關注熱點。采用傳統檢測方法超聲波法、回彈法、超聲回彈綜合法［1］和鉆芯法對混凝土內部損傷判定均有一定局限性。本文以受損矩形薄壁橋墩作為工程實例，探討采用動力測試法［2］對受損橋墩的整體工作性能進行評估。

1 工程概況

三交互通湫水河大橋，橋梁全長958 m，中心里程樁號為K29+847.5，上部結構采用9×30 m小箱梁+7×33 m現澆連續箱梁+15×30 m小箱梁;下部結構采用柱式墩、實心墩(21#～29#橋墩采用矩形薄壁實心墩)，橋臺采用柱式臺、肋板臺;基礎采用樁基礎。

該橋29#橋墩施工完畢后，由于從30#橋臺部位大量傾倒棄石，部分棄石對29#橋墩造成嚴重撞擊，致使29#橋墩表面出現大量撞擊造成的掉塊、劃痕等現象(圖1)。檢查結果:29#橋墩在距離承臺底面2～3 m位置存在明顯撞擊造成的混凝土缺陷，最大掉塊、露筋面積有0.5 m2，為掌握該橋墩受撞擊后的質量狀況，通過橋墩動力性能測試，評定橋墩的工作性能。

圖1 29#橋墩立面照

2 檢測方法

檢測主要針對該橋29#橋墩損傷和破壞程度進行檢測。由于29#橋墩已經出現損傷和破壞，因此檢測時既要確保檢測方法安全有效，又要避免檢測所帶來的二次結構損傷。綜合考慮，采用動測法對橋墩的整體工作性能進行評估。動測法根據激勵類型可分為環境隨機激勵法和脈沖激勵法，本次試驗分別采用環境隨機激勵法和脈沖激勵法兩種方法進行對比測試。

環境隨機激勵法［3］是在橋址附近無規則震源的情況下，橋梁結構在風荷載、地脈動和水流等隨機荷載作用下產生微幅振動，利用動態測試系統測得結構的這種微小隨機響應信號，通過頻譜分析得出結構的自振頻率、振型和阻尼比等結構模態參數，又稱脈動法。環境隨機激勵法的優點是不需對結構施加外部激勵即可進行信號采集，主要缺點在于激勵能量微弱，而且環境激勵(地微動)也屬于強制振動，當環境振動有明顯周期性時，可能會造成誤判。

脈沖激勵法是給結構一個脈沖激勵信號，采集結構在給定激勵信號下的響應，通過頻譜分析識別出結構的模態參數。脈沖激勵法的優點在于脈沖激勵信號能量較強，短時間內即可完成結構響應信號的采集，主要缺點在于脈沖激勵往往難以激發低頻模態。

根據以往對橋梁結構自振特性測試的實踐，考慮到試驗橋墩是一種較低頻結構，采用超低頻高靈敏度拾振器采集結構振動信號，配備DH5907A橋梁模態無線測試系統作為測試設備。在動態測試與分析中，為有效防止高頻混疊現象，須將采樣前的信號限制在一定的頻帶范圍內。根據采樣定理，為提高頻率分辨率，采樣頻率設置為100 Hz。

3 工作原理

動測法是一種間接檢測方法，其基本原理是:通過測試結構的自振頻率、振型和阻尼比等固有動力特性指標，從側面評估結構的整體安全性能及損傷程度。選用該方法進行檢測，既不會對結構造成損傷，又能綜合反映混凝土強度、澆筑質量、損傷和破壞程度。

對于單個鋼筋混凝土橋墩而言，其自振頻率值主要由橋墩截面尺寸、截面形式、計算長度、約束條件、混凝土性能、施工質量以及損傷等共同決定，在橋墩截面尺寸、截面形式、計算長度、約束條件既定的情況下，其自振頻率值則完全由混凝土的性能(主要是混凝土彈性模量和強度)，混凝土施工質量(主要是密實情況)和結構損傷決定［4］。因此只要獲得橋墩的自振頻率值，再將其與理論值進行對比，就能對混凝土強度、混凝土施工質量和結構損傷三方面的綜合性能予以評估。

4 檢測結果的評定

按照《公路橋梁承載能力檢測評定規程》［5］(JTG/T J21-2011)5.9條:橋梁自振頻率變化不僅能夠反映結構損傷情況，而且還能反映結構整體性能和受力體系的改變。通過測試橋梁自振頻率的變化，可以分析橋梁結構性能，評價橋梁工作狀況。參照橋梁自振頻率評定標準(表1)，對該橋橋墩的整體性能進行評定，其中fdi為橋墩自振頻率理論值，fmi為橋墩自振頻率實測值。

表1 橋梁自振頻率評定標準

5 動力測試結果

采用江蘇東華的DH5907A橋梁模態無線測試系統對該橋墩的動力特性進行測試。測試分別采用環境隨機激振和脈沖激勵兩種方式。脈沖激勵采用橡皮錘敲擊橋墩，對橋墩結構產生一個脈沖激勵信號。利用高靈敏度的拾振器和放大記錄設備，對橋墩的振動響應信號進行采集取樣，借助數字信號數據處理技術，獲得橋墩動力特性參數。

為確保測試結果可靠性，同時利于測試數據的綜合分析，在對該橋左、右幅29#墩測試的同時，對左、右幅25#墩，左、右幅26#墩，左幅27#墩也進行了測試。在右幅25#墩頂、下部各放置一個傳感器測點，測試結果如圖2、圖3所示。該橋墩由于墩高較高，結構下部動力響應較小，墩頂測點準確獲取了結構一階、二階自振頻率值，下部測點一階頻率值不明顯，二階頻率值較為明顯，上、下測點實測二階頻率值一致。由于多數橋墩無法到達墩頂位置，因此測試結果取結構二階頻率值。測試結果見表2。

表2 橋墩自振頻率實測結果

6 理論計算

采用midas/civil有限元分析軟件，對橋墩結構進行了有限元建模分析(圖4)。有限元模型中橋墩的截面形式、強度和彈性模量均以設計值考慮，不考慮橋墩存在任何施工缺陷和實體損傷，橋墩端部約束條件為全約束，未考慮樁基的影響，因此橋墩計算模型剛度較結構實際剛度稍大，所得自振頻率計算值較理論真實值略大，以此計算結果按照表1的方法對橋墩性能進行評價將偏于安全。橋墩結構自振頻率計算結果見表3。

圖4 結構有限元模型

表3 橋墩自振頻率理論計算結果

7 測試結果分析

由測試頻譜曲線圖5、圖6可以看出環境隨機激勵下結構低階模態參數被完全激勵出來，而高階模態參數沒有被激勵出來;在脈沖激勵下結構頻譜曲線較為復雜，高階模態參數也被激勵出來。兩種測試方法低階模態參數結果基本一致，考慮測試橋墩屬低頻結構，脈沖激勵信號能量難以準確掌握，模態參數難以準確判定。以環境隨機激勵測試數據進行分析。

由圖7、圖8可以看出，橋墩頻率理論計算值和無損傷橋墩頻率實測值沿橋墩高度分布均可用二次曲線較好地擬合，兩者回歸方程近似一致，有損傷橋墩實測頻率值則與理論計算頻率值偏差較大。

按照表1的方法對測試橋墩性能進行評價，評價結果見表4。根據結構動力測試分析結果，左右幅29#墩頻率實測值明顯小于理論值，且受撞擊影響較大的左幅29#墩實測值與理論值比值最小，僅為0.87。這充分說明墩柱受撞擊造成的內部損傷已導致墩柱動力特性參數不滿足設計要求。

表4 橋墩評價結果

8 建議

根據墩柱動力特性測試分析結果，29#墩實測值明顯小于理論計算值，不能滿足設計要求。為確保結構在未來使用過程中的安全，建議對29#墩進行相應的加固處理，可對墩身進行截面補強，同時對墩身四周進行砌石防護。

［1］趙慶昌.超聲回彈綜合法檢測結構混凝土強度應用［J］.山西交通科技，2010(3)：62-64.

［2］王國朋.簡支T梁橋的動力性能檢測試驗［J］.山西交通科技，2009(5)：35-36.

［3］唐懷平，王鳳勤.大跨徑橋梁自振特性試驗的環境隨機激振法［J］.西南交通大學學報，2000(2)：126-128.

［4］姚振綱，劉祖華.建筑結構試驗［M］.上海：同濟大學出版社，1996.

［5］JTG/T J21-2011，公路橋梁承載能力檢測評定規程［S］.