以自振頻率校驗系數(shù)直接評定梁橋承載能力的方法

譚偉

摘要：本文介紹了當前工程實踐中所常用的幾種橋梁檢測方法，并闡述了每種方法的適用條件。并以橋梁模態(tài)試驗為基礎，提出了一種針對未開裂混凝土梁橋的，以自振頻率校驗系數(shù)直接評定橋梁承載能力的方法。使用此種方法代替橋梁靜載試驗方法，可大大降低檢測成本。

關鍵詞：橋梁；荷載試驗；校驗系數(shù)；自振頻率

1橋梁檢測

橋梁作為道路跨越障礙物的重要結構，一般設計使用年限為100年。橋梁使用過程中，橋梁結構主體會受到車輛超載荷載、地震荷載、所在環(huán)境侵蝕、流冰撞擊等設計中所不能完全考慮到的不利荷載因素。隨著車輛荷載的增大，部分老橋已不能適應新規(guī)范的承載能力需求，因此，對老橋的檢測以及承載能力評定，是橋梁養(yǎng)護過程中的一項重要工作。

2檢測方法

目前橋梁檢測方法主要包括：外觀法、無損法與荷載試驗方法。

2.1外觀法

外觀法即專業(yè)人員根據(jù)城市或公路橋梁檢測評定規(guī)范，對于橋梁出現(xiàn)的每一個病害根據(jù)其危害程度進行扣分，最后根據(jù)總得分將橋梁分類的方法。此方法為使用最廣泛的一種方法，方法簡單，對人員設備要求低，可以用于檢測大部分常規(guī)正常運營的橋梁。

2.2無損法

無損法即使用專用檢測設備，對橋梁混凝土、鋼筋的性能進行無損檢測，判斷其是否滿足設計及使用要求的檢測方法。橋梁一旦建成，組成橋梁結構的原材料的各項無損參數(shù)（強度、鋼保、電阻率等）也隨之固定，通過這些參數(shù)的變化可以判斷橋梁病害發(fā)生的原因，并可以對癥下藥，修復一些常規(guī)的破損、銹蝕、非結構性裂縫等病害。

2.3荷載試驗方法

2.3.1靜載試驗法

靜載試驗是在封閉正常交通的情況下，在橋上施加等效于設計荷載的靜力荷載，使得橋梁達到0.85～1.05的工作效率，通過橋梁關鍵截面的位移及應力變化值判斷橋梁工作狀態(tài)。靜載試驗方法是當前最準確的評定橋梁承載能力的一種方法，此方法實施過程中需要封閉正常交通，影響道路正常通行。前期試驗準備階段以及荷載試驗過程中需要投入大量的人工及機械儀器設備，一般在橋梁外觀檢查不能評定橋梁狀況以及擬提高通行荷載的情況下使用。

2.3.1動載試驗法

動載試驗是在橋上施加等效于橋梁實際承受荷載的動力荷載，在其關鍵截面測試其動力響應參數(shù)（振幅、振動速度、振動加速度等）與動力特性參數(shù)（模態(tài)振型、自振頻率、阻尼比）的一種方法。后者也被稱為模態(tài)參數(shù)，是橋梁結構所固有的性質(zhì)，只要結構一產(chǎn)生，就不會變化。也就是說橋梁結構不發(fā)生變化，模態(tài)參數(shù)不會變。模態(tài)參數(shù)一旦發(fā)生改變，橋梁結構就發(fā)生了變化。所以測試模態(tài)參數(shù)，看其是否變化也可以判斷橋梁結構在使用過程中有沒發(fā)生改變。

3自振頻率的實際值與理論值

模態(tài)參數(shù)中最準確且最易獲得的是結構自振頻率。在不封閉交通的情況下，使用速度（或加速度）拾振器置于關鍵截面即可測到橋梁的速度——時程曲線，該信號經(jīng)過FFT（快速傅里葉變換）即可得到速度——頻率曲線（自振頻譜圖），自振頻譜圖中各個峰值點處頻率值即為橋梁可能存在的各階自振頻率。作為模態(tài)參數(shù)的一部分，橋梁自振頻率的變化，也說明橋梁結構發(fā)生了變化。

工程實踐中，橋梁自振頻率的理論值通常使用有限元軟件Midas civil建立實橋模型，進行特征值分析得到，此方法精度滿足工程要求。

4自振頻率與截面剛度的關系

對于等截面混凝土簡支梁，一階頻率計算公式如下：

上式表明，對于等截面混凝土簡支梁橋，一階頻率校驗系數(shù)的平方等于撓度校驗系數(shù)的倒數(shù)。由于公式9推導過程中默認了實際橋梁的截面剛度EI等于理論模型中橋梁截面剛度EI，所以公式9只對于未開裂的等截面簡支梁橋適用。

工程實踐中發(fā)現(xiàn)，對于二階自振頻率，公式9依然適用。對于連續(xù)梁橋以及變截面梁橋，公式9近似適用。

7 總結

本文簡單介紹了現(xiàn)行橋梁檢測的幾種方法，并推導出靜載試驗中撓度校驗系數(shù)與自振頻率校驗系數(shù)的關系。對于未開裂的混凝土梁橋，一階（或二階）自振頻率校驗系數(shù)的平方等于撓度校驗系數(shù)的倒數(shù)。橋梁檢測過程中，對于未開裂的混凝土梁橋，可以通過自振頻率校驗系數(shù)，結合《公路橋梁承載能力檢測平定規(guī)程》（JTG/T J21-2011）8.3.1條中的內(nèi)容直接判定橋梁承載能力是否滿足要求。省去了做靜載試驗的巨大工作量，大大節(jié)約了養(yǎng)護與檢測的成本，為橋梁檢測項目增值。

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（作者單位：江蘇乾程工程技術有限公司）