某大跨徑PC連續剛構橋動載試驗研究

歐陽智翔

(重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074)

0 引 言

動載試驗是測試橋梁結構的自振特性和在車輛動力荷載作用下橋梁結構的動力響應,這些特性參數是判斷橋梁結構動力性能的重要指標。以此檢驗橋跨結構的實際承載能力、結構變形及抗裂性能是否滿足有關技術規范要求,并結合理論計算分析結果,科學評定橋梁結構目前的技術狀態是否滿足設計要求,能否交付正常使用,并且尋求橋梁整體結構的變形規律,了解結構的實際受力狀況和工作狀況,為日后橋梁運營、養護及管理提供科學依據。

1 工程概況

該橋上部構造為(90+160+90)m三跨預應力混凝土連續剛構。箱梁根部梁高9.604 m,跨中梁高2.80 m,頂板厚28 cm,底板厚從跨中至根部由30 cm變化為105 cm,腹板從跨中至根部分段采用40 cm、70 cm兩種厚度,箱梁高度和底板厚度均按1.8次拋物線變化。主橋橋墩采用矩形空心墩,過渡墩橋墩采用等截面實心墩。該橋設計汽車荷載等級為公路-I級(圖1)。

圖1 該橋橋型布置圖

2 主橋試驗控制及加載

2.1 動載試驗項目及測點布置

該橋動載試驗主要測試項目包括:脈動試驗、跑車試驗。根據在試驗前橋梁外觀檢查結果綜合分析,確定本次動載試驗選擇主跨l/4截面及l/2截面為控制截面。

2.2 動載試驗加載

脈動試驗:在橋面無任何交通荷載以及橋址附近無規則振源的情況下,通過高靈敏度動力測試系統測定風荷載、地脈動、水流等隨機荷載激振而引起橋跨結構的微小振動響應,測得結構的自振頻率和阻尼比等動力學特征。

跑車試驗:試驗時采用2輛重380 kN的試驗車并排橫向對稱布置,分別以10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h、50 km/h的速度通過橋跨結構,由于在行駛過程中對橋面產生沖擊作用,從而使橋梁結構產生振動(圖2)。通過動力測試系統測定橋跨結構主要控制截面的振動及動應變、動撓度時程曲線,得到橋梁主要控制截面在不同車速下的最大振動速度、動應變、動撓度及動力沖擊效應。

圖2 動載試驗跑車圖

跳車試驗:試驗時,采用1輛380 kN的試驗車的后輪在橋梁測點位置從高度為15 cm的三角形墊木突然下落,從而對橋梁產生沖擊作用,激起橋梁的豎向振動。測定此時橋梁主要控制截面測點的最大振動速度及橋梁結構的自振頻率。

3 動載試驗結果

3.1 基頻測試結果與分析

脈動試驗采用高靈敏度的DH610拾振器拾取結構振動信號并由計算機采集和記錄,采用頻域分析法分析結構的前4階自振頻率及阻尼比。

跳車試驗在中跨l/2及l/4截面采用跳車試驗使橋梁產生按指數規律衰減的自振信號,根據衰減信號分析橋梁的自振頻率。

無障礙跑車試驗對跑車余振信號進行頻譜分析得出橋梁的前4階自振頻率。

橋梁前4階自振頻率實測值與理論計算值的對比見表1。

表1 該大橋實測前4階自振頻率及阻尼比FFT分析結果

該橋1、3階自振頻率的FFT分析結果如圖3所示。

圖3 該橋1、3階自振頻率FFT分析結果(l/2截面)

由表1、圖3可知,實測頻率值大于計算數值,即實測動剛度大于理論動剛度,結構整體剛度及技術情況良好,小阻尼振動。

3.2 結構的動力系數分析

由動應變的實測時程曲線,通過分析計算可得到橋梁結構的動力系數。結構的動力系數計算公式為:

式中:Smax為動力荷載引起檢測部位的實測最大動力變形或力值(即最大波峰值);Smean為靜力荷載引起同一檢測部位的最大靜力變形或力值；Smin為與Smax相應的最小值,即同一周期的波谷值。

分析本橋各跑車試驗工況下l/2截面及l/4截面動撓度測點的動撓度實測結果計算得出結構的動力系數，見表2。

表2 動力系數分析結果

在l/2截面，以30 km/h速度開的跑車試驗的動撓度系數計算如圖4所示。

圖4 30 km/h跑車l/2截面動撓度系數計算圖

4 結 論

通過脈動試驗結果分析,橋梁實測前4階自振頻率分別為1.245 Hz、2.124 Hz、2.515 Hz、3.271 Hz,前4階豎向固有頻率與理論頻率比值介于1.06～1.12,表明橋跨結構實際整體剛度大于理論剛度。這與靜載試驗撓度測試結果相符,且頻率分布與理論計算相符。前4階豎向模態阻尼比介于0.004 4～0.012 7,屬于小阻尼振動,處于同類橋型結構正常范圍。

分析10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h、50 km/h不同勻速跑車試驗數據可知,l/2截面實測動力系數介于1.014～1.024,l/4截面實測動力系數介于1.012～1.042,均小于規范取值1.050,說明橋跨結構沖擊效應較小,橋梁行車性能良好,橋面平整程度良好。

跳車試驗數據分析結果表明,跳車工況實測橋梁1階自振頻率與跑車工況跑車余振信號實測值較為接近,且均大于橋梁理論計算固有頻率。