窯后頭大橋自振特性及動力響應測試結(jié)果分析

葉 要 武

(湖南省高速公路建設(shè)開發(fā)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(tài)和基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)產(chǎn)生沖擊和震動影響，這些動力作用已成為橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)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(nèi)的附加動應力也隨著增大，從而產(chǎn)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(nóng)田和沖溝，橋梁主要受地形控制。全橋共2聯(lián)：2×(3×40) m；上部結(jié)構(gòu)采用預應力混凝土(后張)連續(xù)小箱梁；下部結(jié)構(gòu)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(chǔ)，橋墩采用樁基礎(chǔ)。橋梁布置如圖1，圖2所示。

2 測試理論

橋跨結(jié)構(gòu)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(guān)系。

動力響應測試主要是測試在動荷載情況下，橋梁各構(gòu)件受力和變形的時域響應，并分析其構(gòu)件受力的時程響應與動力放大效應等(即沖擊作用)[3]，依據(jù)沖擊系數(shù)評定橋梁的結(jié)構(gòu)條件和通車前的工作狀態(tài)，初步確定預估橋梁的結(jié)構(gòu)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(guī)律振源下，通過高靈敏度動力測試系統(tǒng)測定隨機荷載激振而引起橋跨結(jié)構(gòu)的微小振動響應(自由振動位移時程曲線)。

對應測試參數(shù)：結(jié)構(gòu)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(jù)橋梁的動應變或動撓度曲線測定橋梁的沖擊系數(shù)，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(shù)：沖擊系數(shù)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(cè)防撞護欄20 cm左右橋面處。測點布置如圖3～圖6所示。

4 結(jié)果及分析

4.1 結(jié)構(gòu)自振特性檢測結(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)自振特性匯總?cè)绫?所示。

表1 自振特性檢測結(jié)果匯總表

在理論識別范圍內(nèi)，橋跨結(jié)構(gòu)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(jié)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(jù)圖13～圖18所示，計算得到橋梁跨中節(jié)點最大位移及沖擊系數(shù)如表3所示。

表3 橋梁跨中節(jié)點最大位移及沖擊系數(shù)

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

經(jīng)分析：橋梁結(jié)構(gòu)實測最大沖擊系數(shù)為1.103，已考慮荷載效率修正，根據(jù)理論分析[6]頻率1.97 Hz換算的沖擊系數(shù)為1.104，可見橋梁實際沖擊系數(shù)較小，實際沖擊系數(shù)小于理論計算值，結(jié)構(gòu)行車條件較好。

5 結(jié)語

通過對窯后頭大橋進行動脈試驗，試驗結(jié)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(shù)狀況;同時通過無障礙行車試驗結(jié)果表明:該橋梁的最大沖擊系數(shù)為1.103，小于理論計算沖擊系數(shù)1.104，可見橋梁實際沖擊系數(shù)較小，實際沖擊系數(shù)小于理論計算值，結(jié)構(gòu)行車條件較好。