某跨繞城高速現澆箱梁動載試驗及其分析

張 坤 陶永靖

（蘇交科集團股份有限公司， 江蘇 南京 211112）

0 引言

隨著“十三五”接近尾聲，橋梁工程建設進入快速的發展，并一躍成為基礎建設的重要力量。對于某些重要的橋梁結構，相關規范及文件均要求在交工后對于某些重要的橋梁結構進行荷載試驗，通過荷載試驗檢驗其安全性、施工質量等，進而判斷其承載能力是否滿足要求，為后續驗收、后期管養階段等提供基礎數據及相關參考信息，并成為橋梁檔案的重要組成內容。

本文以某跨繞城高速橋梁為例，選取其中3跨現澆箱梁為試驗對象，介紹了其動載試驗的具體過程以及分析結果，同時結合有限元軟件 Midas/civil理論分析其基頻與振型，為橋梁后期的運營管理提供必要的技術資料。

1 工程概況

某跨繞城高速橋梁全長共 996米，跨徑組合為 3×30m現澆梁+3×30m現澆梁+（33+33+34）m 組合箱梁+（34+41）m 組合箱梁+50m 簡支 T梁+（41+41+39）m 組合箱梁+（3×42）m 組合箱梁+3×32.154m 組合箱梁+（32.154+31+30+29）m現澆梁+4×30m現澆梁，試驗橋梁為第三1聯。上部結構為現澆箱梁，下部結構為樁基礎，柱式墩、花瓶形墩。跨越鐵路橋梁設計荷載為1.3倍公路-I級;其余橋梁公路-I級，并滿足城-A級標準。

2 實驗內容

2.1 測點布置與現場試驗

本試驗的橋面為3×30m，采用布置測點9個，動應變1個的荷載方案，具體布設位置見圖 1～2。對各測點進行模態擬合得出該橋的低階振動頻率、阻尼值和模態，并對不同車速下的跑車試驗中得到其對應的沖擊系數。將采集器放置在相應的位置后，設定采樣頻率即可采集加速度時程響應曲線，測試現場如圖3所示。

圖1 動載試驗采集器布置圖

圖2 動應變測試截面圖

圖3 測試現場照片

2.2 實驗內容

動載試驗分為脈動、跑車、剎車和跳車試驗四個工況來測定該橋的結構動力特性、結構在荷載下的振動響應與荷載動力性能。動載的試驗工況為：

（1）脈動試驗：在滿足橋面無車輛通行引起的交通荷載、試驗橋梁區域附近無規則振源的條件下，通過高靈敏度、高精度動力測試系統對試驗橋區域背景振動進行測量，包括地脈動、風荷載、水流等隨機荷載激振所產生的橋跨結構的微幅振動響應進行采集，獲取結構的自振頻率、阻尼比以及振型等動力學特征。

（2）跑車試驗：采用1輛重350kN的試驗車勻速駛過主橋，行駛速度分別為20km/h、30km/h、40km/h。通過動力測試系統對主跨跨中測試截面處的動應變時間歷程曲線進行采集，通過相關分析獲得在行車條件下的振幅響應、沖擊系數和動應變。

（3）剎車試驗：采用1輛350kN的試驗車以規定的速度勻速行駛至測試斷面時實施緊急剎車，剎車所產生較大的制動力對橋梁結構造成一定的沖擊作用，通過測試系統的數據采集與分析，獲取跨中測點的振幅響應、動應變及沖擊系數。

（4）跳車實驗：采用1輛重350kN的試驗車位于試驗孔跨中處，試驗車后輪以規定的速度越過高度為7cm左右的枕木，后輪的跳躍將對橋面產生瞬時沖擊力作用，導致橋梁結構有較大的豎向振動，從而測定橋梁在橋面不良狀態時車輛運行荷載作用下的動態響應。

3 結果分析

3.1 橋梁模態試驗結果

根據現場實測數據的分析，部分通道數據采集樣圖及頻譜分析圖如下圖4～6所示。

圖4 第一聯部分通道采樣數據圖

圖5 第一聯頻譜分析圖

結合Midas中建立的第一聯模型，通過輸入質量數據與特征值分析數據，得到本聯的基頻與前三階理論與實測振型圖，如圖6～11所示。

圖6 第一聯1階豎向理論振型圖

圖7 第一聯2階豎向理論振型圖

圖8 第一聯3階豎向理論振型圖

圖9 第一聯1階豎向實測振型圖

圖10 第一聯2階豎向實測振型圖

圖11 第一聯3階豎向實測振型圖

通過以上分析得到，自振特性實測值與理論計算值對比表如下。

表1 自振特性實測值與理論計算值對比表

3.2 車輛激振試驗結果

橋面車輛在不同行駛工況下的激勵試驗實測數據分析曲線見圖 12～14（以20km/h為例）。

圖12 20km/h跑車頻譜分析圖

圖13 20km/h剎車頻譜分析圖

圖14 20km/h跳車頻譜分析圖

由此得到的沖擊系數（1+μ）見下表2所示。

表2 各行車激勵工況下沖擊系數實測值

根據《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015）規定，1.5Hz

4 結論

（1）第一聯模態試驗一階實測主頻 4.68Hz，大于理論計算值 4.03Hz，表明結構的整體剛度較大，滿足設計要求。

（2）對不同車速下的跑車(20km/h-50km/h)、剎車、跳車工況進行試驗，分別實測了結構的沖擊系數，試驗結果表明，試驗橋跨在跑車工況下沖擊系數與計算值較為接近，表明橋面總體平順，活載沖擊影響較小，車輛駛過橋面時無較大顛簸。跳車、剎車工況下，動應變增量變化顯著。實測各工況下沖擊系數可以作為后期養護階段檢算的指標，同時也說明運營期應確保橋面平順，減小車輛荷載沖擊效應。