某橋梁動載試驗實例分析

周 毅 （安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計院，安徽 合肥 230032）

0 前言

橋梁動載試驗涉及的問題和所有工程振動試驗研究的問題相似，基本可以歸納為三個方面：橋梁外部振源、結(jié)構(gòu)動力特性和動力響應(yīng)。橋梁外部振源是引起橋梁振動的外作用，包括移動荷載振動的激勵或風(fēng)、地震等。結(jié)構(gòu)動力特性是橋梁的固有特性，主要包括頻率、振型和阻尼三個主要參數(shù)，它們是橋梁動態(tài)試驗中最基本的內(nèi)容。動力響應(yīng)表示橋梁在特定動荷載作用下的動態(tài)輸出，主要包括動應(yīng)變、動撓度、動力放大系數(shù)等參數(shù)。本文結(jié)合某橋動載試驗實例，對動力特性、動力響應(yīng)的測試內(nèi)容和方法進行闡述，并對測試結(jié)果進行分析評價。

1 工程概況

某橋為4×30m簡支轉(zhuǎn)連續(xù)小箱梁橋，總長120m，斜度為10度。橋面寬度：2.5m（人行道）+2.5m（非機動車道）+1.75m（分隔帶）+16.5m（機動車道）+1.75m（分隔帶）+2.5m（非機動車道）+2.5m（人行道）=30m。上部結(jié)構(gòu)采用30m跨標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制小箱梁，后張法預(yù)應(yīng)力體系，梁高1.6m。下部結(jié)構(gòu)橋墩采用樁柱式橋墩，墩柱直徑1.4m，樁基直徑1.6m；橋臺采用樁接蓋梁橋臺，樁基直徑1.6m。

2 測試內(nèi)容及方法

2.1 動力特性測試

2.1.1 測試參數(shù)

結(jié)構(gòu)動力特性是橋梁的固有特性，也稱結(jié)構(gòu)自振特性參數(shù)或振動模態(tài)參數(shù)，主要包括三個主要參數(shù)：自振頻率、振型和阻尼比。

2.1.2 試驗方法

測試和分析結(jié)構(gòu)動力特性的激振方法可根據(jù)結(jié)構(gòu)特點、測試的精度要求、方便性及現(xiàn)場實際情況確定，宜采用環(huán)境隨機激振法、行車激振法和跳車激振法，也可以采用起振機激振法或其他激振方法。

①環(huán)境隨機激振法

在橋面無任何交通荷載以及橋址附近無規(guī)則振源的情況下，通過測定橋梁由風(fēng)荷載、地脈動、水流等隨機激振引起的微幅振動來識別結(jié)構(gòu)自振特性參數(shù)。

②行車激振法

利用車輛駛離橋面后引起的橋梁結(jié)構(gòu)余振信號來識別結(jié)構(gòu)自振特性參數(shù)，對小阻尼橋梁效果較好。為提高信噪比，獲取盡可能大的余振信號，可采用不同的車速進行多次試驗，或在橋跨特征截面設(shè)置弓形障礙物進行激振。通常結(jié)合行車動力響應(yīng)試驗統(tǒng)籌考慮獲取余振信號。

③跳車激振法

通過讓單輛載重汽車的后輪在指定位置從三角形墊塊上突然下落時對橋梁產(chǎn)生沖擊作用，激起橋梁的振動。該方法更適合用于其他方法不易激振的、剛度較大的橋梁，如石拱橋、小跨經(jīng)梁式橋等。

2.1.3 測試截面與測點布置

橋梁動力特性的測試截面應(yīng)根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)振型特征確定。根據(jù)理論振型分析結(jié)果，該橋按各跨四等分截面簡化布置，每個截面在非機動車道邊緣布設(shè)一個測點。拾振器的具體布置情況如圖1、2。

圖1 動力特性測試斷面示意圖（單位：m）

圖2 拾振傳感器橫向布置示意圖

2.1.4 試驗數(shù)據(jù)分析

結(jié)構(gòu)自振頻率可采用頻譜分析法、波形分析法或模態(tài)分析法得到，宜取用多次試驗、不同分析方法的結(jié)果相互驗證。橋梁結(jié)構(gòu)阻尼可采用波形分析法、半功率帶寬法或模態(tài)分析法得到，宜取用多次試驗所得結(jié)果的均值。振型參數(shù)宜采用環(huán)境激振等方法進行模態(tài)參數(shù)識別，宜采用專用軟件進行分析，可同時得到振型、固有頻率及阻尼比等參數(shù)。

2.1.6 試驗結(jié)果分析

橋梁結(jié)構(gòu)動力特性分析應(yīng)通過下列方法進行：

①比較實測自振頻率與計算頻率，實測頻率大于計算頻率時，可認為結(jié)構(gòu)實際剛度大于理論剛度，反之則實際剛度偏小。

②比較實測振型與計算振型，若橋梁結(jié)構(gòu)存在或出現(xiàn)缺損時，會造成振型的變異，一般來講，變異區(qū)段即為缺損所在區(qū)段。

③橋梁結(jié)構(gòu)動力特性三個參數(shù)中，阻尼比是唯一依賴實測得到的。實測阻尼比的大小反映了橋梁結(jié)構(gòu)耗散外部能量輸入的能力，阻尼比大，說明橋梁結(jié)構(gòu)耗散外部能量輸入的能力強，振動衰減得快；反之橋梁結(jié)構(gòu)耗散外部能量輸入的能力差，振動衰減得慢。但是，過大的阻尼比則說明橋梁結(jié)構(gòu)可能存在開裂或支座工作狀況不正常等現(xiàn)象。

2.2 動力響應(yīng)測試

2.2.1 測試參數(shù)

結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)表示橋梁在特定動荷載作用下的動態(tài)輸出，主要包括動應(yīng)變、動撓度和動力放大系數(shù)等參數(shù)。根據(jù)該橋?qū)嶋H并達到檢測目的的要求，本次通過測試動應(yīng)變來獲得不同試驗工況下的動力放大系數(shù)。

2.2.2 試驗工況

①無障礙行車試驗

采用接近運營條件且滿足試驗荷載效率的四輛各30t三軸載重汽車分別以20km/h、30km/h、40km/h、50km/h、60km/h的車速通過測試截面。

②有障礙行車試驗

采用一輛30t三軸載重汽車以20km/h的車速通過測試截面上的障礙物（厚度為5cm的方木）。

③制動試驗

采用一輛30t三軸載重汽車以30km/h車速在測試截面上制動。

2.2.3 測試截面與測點布置

橋梁動力響應(yīng)的測試截面應(yīng)根據(jù)行車動力響應(yīng)最大的原則確定。根據(jù)該橋結(jié)構(gòu)布置和現(xiàn)場條件，選取第4跨的跨中截面為測試截面，具體應(yīng)變測點布置如圖3。

圖3 測試截面應(yīng)變測點布置示意圖

2.2.4 試驗數(shù)據(jù)分析

各試驗工況下動力放大系數(shù)應(yīng)根據(jù)儀器記錄的動應(yīng)變曲線（圖2.2.2）進行分析，并按下列公式計算：

式中：μdyn—動力放大系數(shù)；

Smax—車輛行駛時，動態(tài)車輛荷載作用下測點的最大應(yīng)變值（波峰值）；

Smin—車輛行駛時，動態(tài)車輛荷載作用下測點的最小應(yīng)變值（同周期的波谷值）；

Smean—車輛行駛時，動態(tài)車輛荷載作用下測點的應(yīng)變算數(shù)平均值。

圖4 動應(yīng)變曲線示意圖

動力放大系數(shù)宜取同截面（或部位）多個測點的均值，進行多次試驗時可取該工況下的最大值。

2.2.5 試驗結(jié)果分析

比較實測動力放大系數(shù)與設(shè)計取用的沖擊系數(shù)，實測值大于設(shè)計值時應(yīng)分析原因。

3 動載試驗結(jié)果

3.1 結(jié)構(gòu)計算分析

根據(jù)設(shè)計資料采用Midas/civil 2019建立該橋空間有限元模型進行成橋階段分析，即在成橋狀態(tài)下分析該橋跨結(jié)構(gòu)的動力特性。采用梁單元模擬小箱梁、端橫梁和跨中橫隔板，采用虛擬梁單元（不計重量）模擬橫向聯(lián)系，采用“彈性連接”中的“剛性”將梁與支座進行連接，模型共1539個節(jié)點，2807個單元。橋跨結(jié)構(gòu)計算模型以及前二階自振頻率和振型如圖5～7所示。

圖5 計算模型

圖6 橋跨計算一階振型（f1=2.95Hz）

圖7 橋跨計算二階振型（f2=3.40Hz）

3.2 動力特性測試

采用無線橋梁模態(tài)測試分析系統(tǒng)對環(huán)境隨機振動信號、行車余振信號進行采集并進行分析處理，可識別出該橋跨結(jié)構(gòu)的動力特性參數(shù)。實測豎向振動速度時域信號及其對應(yīng)的功率譜如圖8～10，實測一階振型如圖11～12，實測自振頻率和阻尼比與理論計算值對照如表1所示：

圖8 環(huán)境隨機振動時域信號

圖9 行車余振時域信號

圖10 功率譜

圖11 實測一階振型

圖12 實測二階振型

自振頻率和阻尼比測試結(jié)果 表1

通過上述數(shù)據(jù)分析可知，該橋?qū)崪y前兩階豎向彎曲振動頻率分別為3.81Hz、4.30Hz，均較理論計算值2.95 Hz、3.40 Hz大；實測前兩階阻尼比分別為2.0%、1.6%；實測前兩階振型與計算一階振型基本吻合，未見明顯變異區(qū)段；因此該橋跨結(jié)構(gòu)的動力特性滿足設(shè)計要求。

3.3 動力響應(yīng)測試

采用無線動態(tài)應(yīng)變采集器對各試驗工況的動應(yīng)變曲線進行采集、分析，可計算出該橋跨結(jié)構(gòu)測試截面的動力放大系數(shù)。實測動應(yīng)變曲線如圖13～15，各試驗工況實測動力放大系數(shù)與設(shè)計取用的沖擊系數(shù)對照如表2所示。

圖13 無障礙行車試驗動應(yīng)變曲線

圖14 有障礙行車試驗動應(yīng)變曲線

圖15 制動試驗動應(yīng)變曲線

動力放大系數(shù)測試結(jié)果 表2

通過上述數(shù)據(jù)分析可知，在無障礙行車工況下，該橋測試截面的動力放大系數(shù)基本隨車速的提高而提高；在有障礙行車工況下，該橋測試截面的動力放大系數(shù)較大，表明橋面的平整度對車輛的沖擊效應(yīng)影響較大。

4 結(jié)論

動力特性：該橋?qū)崪y前兩階豎向彎曲振動頻率分別為3.81Hz、4.30Hz，均較理論計算值2.95 Hz、3.40 Hz大；實測前兩階阻尼比分別為2.0%、1.6%；實測前兩階振型與計算一階振型基本吻合，未見明顯變異區(qū)段；因此該橋跨結(jié)構(gòu)的動力特性滿足設(shè)計要求。

動力響應(yīng)：在無障礙行車工況下，該橋測試截面的動力放大系數(shù)基本隨車速的提高而提高；在有障礙行車工況下，該橋測試截面的動力放大系數(shù)較大，表明橋面的平整度對車輛的沖擊效應(yīng)影響較大。