自振頻率評(píng)定橋梁技術(shù)狀況方法探討

■徐緒緒，熊先波，王 振

■1.中國(guó)建筑科學(xué)研究院，北京 100013;2.遵義市交通勘察設(shè)計(jì)有限公司，貴州 563000;3.中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海 200070

根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力[1]～[2]學(xué)觀點(diǎn)，結(jié)構(gòu)剛度的變化或結(jié)構(gòu)損傷，必然導(dǎo)致結(jié)構(gòu)自振特性變化，通過橋梁結(jié)構(gòu)自振頻率的變化，可以分析橋梁結(jié)構(gòu)性能，從而評(píng)價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)的工作狀況。在工程實(shí)踐中將實(shí)測(cè)自振頻率與計(jì)算自振頻率的比值作為一項(xiàng)評(píng)定標(biāo)度，分析橋梁結(jié)構(gòu)性能，評(píng)價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況，將實(shí)測(cè)自振頻率與計(jì)算頻率進(jìn)行比較，如實(shí)測(cè)頻率大于計(jì)算頻率，可認(rèn)為結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度大于理論剛度，反之則實(shí)際剛度偏小。

1 研究現(xiàn)狀

為了規(guī)范公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定工作，我國(guó)交通運(yùn)輸部發(fā)布并推行《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》(JTG/T J21-2011)[3]-以下簡(jiǎn)稱規(guī)范。該規(guī)范根據(jù)橋梁檢查與檢測(cè)結(jié)果，采用引入分項(xiàng)檢算系數(shù)修正極限狀態(tài)表達(dá)式的方法進(jìn)行承載能力評(píng)定，大大提高了橋梁承載能力評(píng)定的客觀性和可操作性。上述規(guī)范根據(jù)實(shí)測(cè)自振頻率與理論計(jì)算頻率之間的比值來量化評(píng)定橋梁自振頻率技術(shù)狀況。但是，規(guī)范中有關(guān)自振頻率評(píng)定標(biāo)度方面的條文敘述比較模糊籠統(tǒng)，條文指出用實(shí)測(cè)自振頻率與理論計(jì)算頻率的比值進(jìn)行量化，而具體采用第幾階頻率，采用豎向、橫向還是扭轉(zhuǎn)頻率并未進(jìn)行詳細(xì)解釋。事實(shí)上，根據(jù)一些實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的比值，我們發(fā)現(xiàn)不同階次實(shí)測(cè)與理論計(jì)算頻率之間的比值具有一定的離散型，甚至?xí)霈F(xiàn)按豎向一階自振頻率進(jìn)行評(píng)定為1類標(biāo)度，按照豎向二階頻率進(jìn)行評(píng)定為2類標(biāo)度的情況，在工程實(shí)踐中極易導(dǎo)致誤判。

2 工程實(shí)例

對(duì)一座連續(xù)梁橋采用有限元分析軟件Midas civil進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析求解計(jì)算自振頻率，并現(xiàn)場(chǎng)采用脈動(dòng)試驗(yàn)方法實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)自振頻率。

李家埡口中橋[4]為一座預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋。該橋全長(zhǎng)100.00m，共一聯(lián)橋。該橋跨徑的具體布置為:3 ×30.00m=90.00m。主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，采用C50混凝土澆筑，箱梁采用直腹式單箱單室截面，底板水平，兩側(cè)與中心位置處梁高均為1.70m，采用橋面鋪裝設(shè)置橋面橫坡。箱梁頂板寬10.00m，底板寬5.60m，翼緣懸臂2.20m，頂板厚 0.25m，底板厚 0.20m，跨中標(biāo)準(zhǔn)截面腹板厚 0.50m，在支承處距實(shí)心段6m范圍內(nèi)，腹板厚度漸變?cè)黾又?.8m。全橋按照雙向兩車道設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路-Ⅱ級(jí)。

在橋面無任何交通荷載以及橋梁附近無其它振源的情況下，在橋梁測(cè)試截面安裝拾振器測(cè)定橋梁由風(fēng)荷載、地脈動(dòng)等隨機(jī)激勵(lì)而引起的微幅振動(dòng)響應(yīng)，通過FFT分析識(shí)別結(jié)構(gòu)自振頻率。

根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》(JTG/T J21-2011)表5.9.2橋梁自振頻率評(píng)定標(biāo)準(zhǔn):采用豎向1階頻率f1則評(píng)定標(biāo)度為1，采用豎向2階頻率f2則評(píng)定標(biāo)度為2，采用豎向3階頻率f3則評(píng)定標(biāo)度為3。

另外對(duì)該橋進(jìn)行靜載試驗(yàn)評(píng)定橋梁技術(shù)狀況。以設(shè)計(jì)正常使用荷載作為加載控制，按測(cè)試截面內(nèi)力(彎矩)等效原則進(jìn)行布載，并使測(cè)試截面的試驗(yàn)荷載效率滿足檢測(cè)規(guī)程的要求。

在試驗(yàn)荷載作用下，各測(cè)試截面的實(shí)測(cè)撓度小于計(jì)算值，撓度校驗(yàn)系數(shù)介于0.64～0.81之間，中跨、邊跨測(cè)試截面最大實(shí)測(cè)撓度增量分別為3.96mm和3.90mm，小于計(jì)算值。各加載工況卸載后，梁體變形恢復(fù)良好，實(shí)測(cè)相對(duì)殘余變形均小于檢測(cè)規(guī)范的限值，最大實(shí)測(cè)相對(duì)殘余變形為3.1%。為便于分析比較，將試驗(yàn)橋跨的主要撓度檢測(cè)結(jié)果匯總列于表 3.2。

表3.2 撓度檢測(cè)結(jié)果匯總表

靜載試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果表明，試驗(yàn)橋跨結(jié)構(gòu)剛度技術(shù)狀況良好，根據(jù)《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程征求意見稿》[5]6.5.9條，結(jié)構(gòu)自振頻率比值與結(jié)構(gòu)剛度的關(guān)系反算可得結(jié)構(gòu)該項(xiàng)評(píng)定標(biāo)度應(yīng)為1。結(jié)合上述分析結(jié)果筆者認(rèn)為采用一階豎向自振頻率評(píng)定該項(xiàng)標(biāo)度可以更加客觀合理的反映結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀況。

3 結(jié)論

根據(jù)以上討論，筆者認(rèn)為:(1)對(duì)于簡(jiǎn)支梁、連續(xù)梁等簡(jiǎn)單橋型應(yīng)采用豎向一階頻率實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的比值評(píng)定該項(xiàng)標(biāo)度。(2)對(duì)于其他橋梁結(jié)構(gòu)體系，應(yīng)深入研究，通過大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，以確定采用第幾階頻率評(píng)定該項(xiàng)標(biāo)度。(3)通過深入研究可以使自振頻率檢測(cè)評(píng)定標(biāo)度更為客觀合理，可以驗(yàn)證規(guī)程條文的包容性，可以增強(qiáng)該項(xiàng)條文的可操作性，從而指導(dǎo)工程實(shí)踐。

[1]宋一凡.公路橋梁動(dòng)力學(xué)[M].北京:人民交通出版社，1999.

[2][美]R.克拉夫，J.彭津;王光遠(yuǎn)譯.結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)(第二版)[M].北京:高等教育出版社，2006.

[3]公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程(JTG/T J21-2011)[S].北京:人民交通出版社，2011.

[4]施尚偉.南川李家埡口中橋荷載試驗(yàn)檢測(cè)報(bào)告[R].重慶:重慶交通大學(xué)建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)站，2011.

[5]公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程(征求意見稿)[S].北京:人民交通出版社.