窯后頭大橋自振特性及動力響應測試結果分析

葉 要 武

(湖南省高速公路建設開發總公司湘西管理處，湖南 湘西 416000)

0 引言

自振頻率、動力響應測試是初步評定橋梁狀態和基礎病害的重要方法。車輛在行駛過程中的荷載作用和其他周邊動荷載都會對橋梁的結構產生沖擊和震動影響，這些動力作用已成為橋梁結構設計、運營和維修等過程中重要的影響部分[1]。橋梁的路基所承擔的力包含兩方面：1)上部結構的重量；2)長期的行車荷載作用；車速的提高，荷載密度增大，對路基的沖擊作用更強，路基內的附加動應力也隨著增大，從而產生更強烈的沖擊動荷載[2]。

1 工程概況

本橋位于窯后頭附近，橋梁起于一山坡的半山腰處，跨越省道303、農田和沖溝，橋梁主要受地形控制。全橋共2聯：2×(3×40) m；上部結構采用預應力混凝土(后張)連續小箱梁；下部結構橋臺采用U臺，3號～4號橋墩采用薄壁空心墩，其余橋墩采用柱式墩，橋臺采用擴大基礎，橋墩采用樁基礎。橋梁布置如圖1，圖2所示。

2 測試理論

橋跨結構的動力測試一般包括兩方面：一是自振特性測試；二是動力響應測試。自振特性測試一般使用脈動法，通過不同位置的傳感器，測量各測點不同方向的振動信號，并將獲得的響應信號進行譜分析處理，進而得到各測點功率譜及不同測點和參考點之間的信號相位關系。

動力響應測試主要是測試在動荷載情況下，橋梁各構件受力和變形的時域響應，并分析其構件受力的時程響應與動力放大效應等(即沖擊作用)[3]，依據沖擊系數評定橋梁的結構條件和通車前的工作狀態，初步確定預估橋梁的結構工作性能[4]。

3 試驗方法

3.1 脈動試驗

在橋面或行車道上測試時無交通荷載或者無規律振源下，通過高靈敏度動力測試系統測定隨機荷載激振而引起橋跨結構的微小振動響應(自由振動位移時程曲線)。

對應測試參數：結構的固有頻率f0。

3.2 無障礙行車試驗

在測試地點不存在障礙的情況下，用一輛重載汽車以20 km/h，30 km/h，40 km/h等速度勻速通過橋梁，根據橋梁的動應變或動撓度曲線測定橋梁的沖擊系數，對跑車余振進行分析處理測定橋梁的阻尼比。

對應測試參數：沖擊系數μ；阻尼比D。

自振特性測試測點布置為縱向位于J1,J3截面，橫向位置布置在測試橋跨距外側防撞護欄20 cm左右橋面處。測點布置如圖3～圖6所示。

4 結果及分析

4.1 結構自振特性檢測結果

采用脈動、行車余振來增加橋梁震動頻率，通過使用較高靈敏加速計記錄結構自身的自振信號，并分析計算得出橋梁自身的自振頻率，圖7～圖12為橋梁自振信號頻譜圖，實測結構自振特性匯總如表1所示。

表1 自振特性檢測結果匯總表

在理論識別范圍內，橋跨結構的一階頻率均為3.28 Hz。一般確定自振頻率的評定標準可由fmi/fdi確定(fmi為自振頻率；fdi為理論自振頻率)。

具體評定標度如表2所示[5]，通過公式計算得出：該橋左右幅實測自振頻率fmi與理論自振頻率fdi的比值為1.66，查表2可知：該橋左右幅自振頻率評定標度均為1。

表2 橋梁自振頻率評定標準

4.2 行車動力響應檢測結果

在進行振動信號測試的同時對試驗橋跨進行了動應變測試，部分行車試驗動力響應實測信號如圖13～圖18所示。

車輛以不同速度駛過橋梁時，根據圖13～圖18所示，計算得到橋梁跨中節點最大位移及沖擊系數如表3所示。

表3 橋梁跨中節點最大位移及沖擊系數

車速/km·h-10203040最大位移/cm1.150 02.080 02.230 02.418 0沖擊系數0.809 00.939 01.103 0

經分析：橋梁結構實測最大沖擊系數為1.103，已考慮荷載效率修正，根據理論分析[6]頻率1.97 Hz換算的沖擊系數為1.104，可見橋梁實際沖擊系數較小，實際沖擊系數小于理論計算值，結構行車條件較好。

5 結語

通過對窯后頭大橋進行動脈試驗，試驗結果表明：橋左右幅自振頻率評定標度均為1，采用一階豎向頻率評定該項標度更加客觀合理的反映橋梁的技術狀況;同時通過無障礙行車試驗結果表明:該橋梁的最大沖擊系數為1.103，小于理論計算沖擊系數1.104，可見橋梁實際沖擊系數較小，實際沖擊系數小于理論計算值，結構行車條件較好。