某鋼筋混凝土舊橋動(dòng)載試驗(yàn)分析

鄭彬雙 李新寧

(1.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040； 2.煙臺(tái)大學(xué),山東 煙臺(tái) 264000)

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某鋼筋混凝土舊橋動(dòng)載試驗(yàn)分析

鄭彬雙1李新寧2

(1.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040； 2.煙臺(tái)大學(xué),山東 煙臺(tái) 264000)

以某鋼筋混凝土舊橋?yàn)楣こ瘫尘埃ㄟ^動(dòng)力荷載試驗(yàn)，從頻率、阻尼比、振型等方面，測試主梁在各級(jí)試驗(yàn)荷載作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，并將試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估了該橋結(jié)構(gòu)的工作性能和承載能力。

鋼筋混凝土舊橋，動(dòng)荷載試驗(yàn)，動(dòng)力特性，頻率，阻尼比

1 動(dòng)力荷載試驗(yàn)

橋梁動(dòng)力荷載試驗(yàn)是通過測試動(dòng)力性因素來對(duì)其整體剛度、行車性能進(jìn)行評(píng)判。所采取的現(xiàn)場方法就是借助某一種激振方法激起結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)，然后通過對(duì)其固有頻率、阻尼比、振型、動(dòng)力沖擊系數(shù)、行車響應(yīng)等參量的測定，從而進(jìn)一步判定結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性進(jìn)行橋梁運(yùn)營狀況和承載能力的評(píng)估[1]。現(xiàn)場進(jìn)行跑車、跳車、脈動(dòng)等荷載試驗(yàn)是實(shí)際工程中經(jīng)常采用的三種動(dòng)力荷載測試試驗(yàn)方式。

目前，關(guān)于在役橋梁動(dòng)力特性的研究國內(nèi)外已經(jīng)有很多可供參考的文獻(xiàn)，如楊勇等[2]通過對(duì)某在役多跨PC連續(xù)梁橋的荷載試驗(yàn)對(duì)其承載力進(jìn)行了綜合評(píng)估和鑒定；魏瑞芬[3]針對(duì)橋梁荷載試驗(yàn)在舊橋加固中應(yīng)用,結(jié)合某舊簡支T梁橋?yàn)榫唧w的工程實(shí)例為橋梁養(yǎng)護(hù)部門在橋梁加固方面提供科學(xué)的依據(jù)。本文以某鋼筋混凝土舊橋?yàn)楣こ瘫尘斑M(jìn)行動(dòng)載試驗(yàn)，科學(xué)地評(píng)估該橋結(jié)構(gòu)的工作性能和承載能力。

2 工程概況

某鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)舊橋，橋面為凈7 m+2×0.75 m人行道，上部結(jié)構(gòu)形式為5跨鋼筋混凝土簡支梁橋。該橋全長為83 m，跨徑布置為5×16 m，橋梁計(jì)算跨徑15.5 m。上部結(jié)構(gòu)為工字梁與微彎板組合簡支梁橋，橫橋向由5片鋼筋混凝土工字梁組成，各工字梁中距1.70 m，工字梁梁高0.8 m，工字梁下翼緣寬0.3 m，上翼緣寬0.3 m，腹板厚0.16 m；在橫橋向，主梁通過橫隔板連接，每孔設(shè)置4片橫隔梁；工字梁頂擱置微彎板，微彎板拱矢度1/13，凈矢高為0.1 m；支座均采用弧形鋼支座，每片梁端設(shè)置一個(gè)鋼支座，全橋共計(jì)50個(gè)；橋面鋪裝按8 cm考慮，每側(cè)欄桿及人行道構(gòu)件自重按照5 kN/m考慮，全橋側(cè)立面圖見圖1。

由于原設(shè)計(jì)圖紙已不復(fù)存在，本次檢算主要根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查并參考同時(shí)代公路橋涵設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)圖(編號(hào)JT/GQS001—73)按照《04規(guī)范》進(jìn)行檢算，根據(jù)該橋現(xiàn)階段實(shí)際交通組成，本次檢算荷載采用《04規(guī)范》公路—Ⅱ級(jí)汽車荷載，現(xiàn)場實(shí)測混凝土回彈值為23.7 MPa～26.7 MPa，并結(jié)合主梁的混凝土實(shí)際標(biāo)號(hào)，可以等換算成《04規(guī)范》中的23號(hào)混凝土；所以驗(yàn)算過程中，主梁混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值采用新規(guī)范的23號(hào)混凝土，而梁內(nèi)主筋鋼筋采用Ⅱ級(jí)鋼筋，相當(dāng)于新橋規(guī)的HRB335。

該橋動(dòng)載試驗(yàn)選取一輛總重為29.68 t的汽車作為動(dòng)力施加荷載，用于跑車、跳車試驗(yàn)。動(dòng)載試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集儀器采用速度拾振器和動(dòng)態(tài)位移撓度儀，為保證測試結(jié)果準(zhǔn)確性，測試儀器需放置在不同試驗(yàn)梁位。采用DH5937系統(tǒng)作為采集、分析動(dòng)態(tài)應(yīng)變測試分析系統(tǒng)。

3 試驗(yàn)孔選擇和測點(diǎn)布置

根據(jù)該橋整體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和主梁裂縫產(chǎn)生情況，選定第3孔為本次試驗(yàn)孔，動(dòng)載試驗(yàn)控制斷面則選擇為該橋第3孔的跨中斷面。

豎向振動(dòng)特性：根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，在試驗(yàn)孔跨中斷面上游一側(cè)的人行道內(nèi)緣10 cm位置，布置一個(gè)豎向速度計(jì)測點(diǎn)；在試驗(yàn)孔跨中斷面1號(hào)、3號(hào)主梁的梁底邊緣各布置一個(gè)動(dòng)撓度測點(diǎn)，動(dòng)撓度試驗(yàn)位置布置情況如圖2所示。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1 結(jié)構(gòu)自振頻率分析

在動(dòng)荷載跑車試驗(yàn)結(jié)束車輛離開橋跨結(jié)構(gòu)時(shí)，結(jié)構(gòu)本身也不會(huì)馬上恢復(fù)至原有平衡狀態(tài)而是保持繼續(xù)自振，主要原因是由于慣性作用；同樣能引發(fā)自振的是在進(jìn)行沖擊荷載試驗(yàn)時(shí)，可以通過突然施加沖擊荷載的方式進(jìn)而激發(fā)構(gòu)件自由振動(dòng)[3]。不論采取以上哪種激振方式，結(jié)構(gòu)都會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)自行恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)回到平衡位置，這是因?yàn)橛捎谧枘嶙饔玫拇嬖冢沟谜駝?dòng)能量隨時(shí)間的增加而逐漸衰減[4]。

速度傳感器可以測量記錄在沖擊荷載作用下結(jié)構(gòu)自由衰減振動(dòng)隨時(shí)間變化的曲線，因而可以在試驗(yàn)孔橋面適當(dāng)位置布置測點(diǎn)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行頻譜分析，獲得自振頻率f0=5.68 Hz，如圖3所示。

不考慮橋面鋪裝作用的影響，通過理論計(jì)算得到主梁結(jié)構(gòu)的自振頻f0=6.67 Hz，而通過試驗(yàn)點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)果略小于理論值，說明橋跨主梁的整體性較差。

4.2 結(jié)構(gòu)阻尼特性分析

結(jié)構(gòu)的阻尼特性分析是利用橋面上放置的速度拾振器與加速度拾振器測得橋梁結(jié)構(gòu)在跑車荷載作用下自由衰減振動(dòng)而生成的時(shí)間歷程曲線，通過對(duì)其進(jìn)行時(shí)域分析后，根據(jù)實(shí)測曲線計(jì)算結(jié)構(gòu)的阻尼比為0.037。根據(jù)范立礎(chǔ)《橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動(dòng)》，橋梁結(jié)構(gòu)的常見阻尼比一般在0.01～0.10之間，可見本橋的阻尼比介于常見阻尼比之間，說明結(jié)構(gòu)具有較合理的阻尼比。典型跨中截面跳車速度—時(shí)程歷程曲線見圖4。

4.3 結(jié)構(gòu)沖擊系數(shù)分析

試驗(yàn)汽車荷載分別采用不同車速作用于橋跨結(jié)構(gòu)，取得各車速下測試截面的沖擊系數(shù)如表1所示，跑車位移—時(shí)程曲線如圖5所示。而按JTG D60—2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范理論計(jì)算的沖擊系數(shù)為1+μ=1.34，以上結(jié)果表明實(shí)測沖擊系數(shù)與理論值相比較大，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因是橋面鋪裝破損，結(jié)構(gòu)表面不平整所致。

4.4 橋梁結(jié)構(gòu)性能評(píng)定

表1 沖擊系數(shù)1+μ匯總數(shù)據(jù)表

1)自振頻率。

在沖擊荷載作用下，不考慮橋面鋪裝作用的影響，主梁結(jié)構(gòu)實(shí)測自振頻率f0=5.68 Hz，通過理論計(jì)算得到的自振頻率f0=6.67 Hz，實(shí)際測量數(shù)據(jù)結(jié)果略小于理論值，說明橋跨主梁的整體性較差。

2)阻尼比。

實(shí)際觀測得到主梁結(jié)構(gòu)的阻尼比為0.037，依據(jù)《橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動(dòng)》闡述，橋梁結(jié)構(gòu)的常見阻尼比一般在0.01～0.10之間，可見本橋結(jié)構(gòu)的阻尼比過小，對(duì)減少結(jié)構(gòu)振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生不利影響。

3)沖擊系數(shù)。

通過對(duì)比實(shí)測沖擊系數(shù)可知，實(shí)際的沖擊系數(shù)隨外界給予橋梁能量的增加而增大且本橋沖擊系數(shù)較大，其最大值1.36超過理論計(jì)算值1.34。這表明在不同車速下有較大振動(dòng)，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因是橋面鋪裝破損，結(jié)構(gòu)表面不平整。

5 結(jié)語

依據(jù)理論分析結(jié)果并考慮橋梁整體特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了某鋼筋混凝土舊橋的動(dòng)力荷載試驗(yàn)方案。依據(jù)制定的試驗(yàn)方案對(duì)該橋進(jìn)行了動(dòng)力荷載試驗(yàn)檢測，并依據(jù)識(shí)別的動(dòng)力參數(shù)對(duì)三通橋進(jìn)行了使用狀態(tài)評(píng)價(jià)，為類似橋梁的動(dòng)力荷載試驗(yàn)提供了一定的參考。

[1] 馬 超,孫 韋.評(píng)述橋梁荷載試驗(yàn)的步驟及要點(diǎn)[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2013(7):31-33.

[2] 楊 勇,張俊平,李永河,等.某多跨PC連續(xù)梁橋靜動(dòng)載試驗(yàn)分析[J].廣州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012(1):58-63.

[3] 魏瑞芬.橋梁荷載試驗(yàn)在舊橋加固中的應(yīng)用研究[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2015(8):8-10.

[4] 肖天崟,韓建剛,高洪波.某公路橋梁承載能力荷載試驗(yàn)評(píng)定分析[J].山西建筑,2012，38(17):222-224.

[5] 趙 雷.橋梁自振頻率測試在橋梁荷載試驗(yàn)中的應(yīng)用[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2013(11):338-339.

[6] 吳 平,張永勝.預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的動(dòng)荷載試驗(yàn)研究[J].四川建筑科學(xué)研究,2015(4):29-31.

[7] 李鵬飛,楊 溢,劉 磊,等.某高速公路工程30 m預(yù)制小箱梁靜載試驗(yàn)分析[J].公路工程,2014(2):242-245.

[8] 寧 剛,馬 福,張少華.預(yù)應(yīng)力混凝土箱型連續(xù)梁橋的動(dòng)荷載試驗(yàn)研究[J].中國科技論文,2015(7):855-859.

Analysis on the dynamic load test of an old reinforced concrete bridge

Zheng Binshuang1Li Xinning2

(1.CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China; 2.YantaiUniversity,Yantai264000,China)

Taking an old reinforced concrete bridge as the engineering background, to carried out the dynamic loading tests for testing the dynamic characteristics of the main girder structure such as frequency, damping ratio and mode shapes under various test load. Comparing the test results and the theoretical calculation value to assess the performance and carrying capacity of the bridge structure.

reinforced concrete bridge, dynamic load test, dynamic characteristics, frequency, damping ratio

1009-6825(2016)27-0148-02

2016-07-05

鄭彬雙(1990- )，女，在讀碩士； 李新寧(1993- )，男，在讀本科生

U441.2

A