橋梁動荷載試驗的分析與應用

王一平

(南京科興工程建設項目管理有限責任公司，江蘇 南京 210039)

橋梁是交通樞紐中重要的組成部分，橋梁結(jié)構(gòu)的安全關(guān)乎著每一個公民的人身財產(chǎn)安全，因此，對橋梁結(jié)構(gòu)工作性能的準確判斷顯得尤為重要，然而，經(jīng)常性檢查、定期檢查等常規(guī)性檢查往往很難發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)中的隱蔽缺陷，恰好荷載試驗可以實現(xiàn)。隨著計算機和高靈敏低功耗傳感器等技術(shù)的快速發(fā)展，荷載試驗在實際工程中的應用更加的普遍和成熟了，橋梁結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量是否滿足設計要求，運營橋梁的實際工作狀態(tài)和實際承載能力是否符合安全適用要求都可以通過荷載試驗來準確掌握，相比于靜荷載試驗，動荷載試驗具有方便易行、快速和低成本等特點，是橋梁檢測技術(shù)的研究和發(fā)展方向。

1 動荷載試驗

1.1 動荷載試驗的目的

橋梁是一種既承受恒荷載(例如結(jié)構(gòu)自重)又承受動荷載(例如車輛荷載)的受力體。橋梁在移動車輛荷載、地震荷載和風荷載的作用下往往會發(fā)生受迫振動，因此，為了能充分了解結(jié)構(gòu)抵抗振動的能力，保證結(jié)構(gòu)的運營安全，同時為橋梁的設計、施工、檢測等提供技術(shù)資料，動荷載試驗是一種較好的技術(shù)手段。橋梁動荷載試驗的具體目的如下。

(1)通過動力荷載試驗，了解橋梁結(jié)構(gòu)的固有振動特性，例如自振頻率、振型和阻尼比。

(2)通過動荷載試驗，測得在移動車輛荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)實際的動態(tài)增量，進而判別結(jié)構(gòu)在受到不同動荷載作用下的動態(tài)反應是否在橋梁的一般容許范圍內(nèi)，即通過測量結(jié)構(gòu)的動力響應參數(shù)(例如動撓度、動應變、振動速度、動力加速度等)來判斷橋梁結(jié)構(gòu)的動力穩(wěn)定性。

(3)通過動荷載試驗測得的動力響應參數(shù)分析得出結(jié)構(gòu)的實際沖擊系數(shù)，將橋梁結(jié)構(gòu)的實測沖擊系數(shù)與理論沖擊系數(shù)進行對比分析，得出沖擊系數(shù)的影響因素及結(jié)構(gòu)的動力安全性能。

(4)通過現(xiàn)場加載試驗以及對試驗觀測數(shù)據(jù)和試驗現(xiàn)象的綜合分析，對實際結(jié)構(gòu)作出總體評價，為橋梁結(jié)構(gòu)的運營安全性及竣工驗收提供技術(shù)依據(jù)。

1.2 動荷載試驗的內(nèi)容與方法

橋梁的動荷載試驗一般是針對大橋、特大橋的主跨來進行的，主要內(nèi)容包括脈動試驗測試橋跨結(jié)構(gòu)的自振特性(豎向主要階次)和行車激振試驗測試結(jié)構(gòu)的動力反應。

(1)脈動試驗：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，通過高靈敏度動力測試系統(tǒng)測定橋址處風荷載、地脈動、水流等隨機荷載激振而引起橋跨結(jié)構(gòu)的微小振動響應，測得結(jié)構(gòu)的自振頻率等動力學特征。

(2)跑車試驗：在橋面無任何障礙的情況下，采用一輛滿重40 t的試驗車以車速為10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h勻速通過橋跨結(jié)構(gòu)，由于在行駛過程中對橋面產(chǎn)生沖擊作用，從而使橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動。通過動力測試系統(tǒng)測定橋跨結(jié)構(gòu)主要控制截面測點的動力響應時間歷程曲線和車輛對橋面沖擊系數(shù)。

(3)跳車試驗：跳車試驗模擬的是橋面鋪裝存在缺陷、坑槽等不平整因素時的結(jié)構(gòu)振動情況。試驗時，在預定的測試截面上放置一塊15 cm左右高的三角形墊塊，斜邊朝向汽車，用一輛40 t載重車在10 km/h的速度下后輪從墊塊上突然落下，立即停車，從而對橋梁產(chǎn)生沖擊作用，激起橋梁的豎向振動，但需要注意的是此時的結(jié)構(gòu)振動是附加試驗車質(zhì)量的衰減振動。

(4)剎車試驗：剎車試驗是模擬橋上車輛緊急制動時結(jié)構(gòu)的振動情況。試驗時，讓一輛40 t載重主車分別以10 km/h、20 km/h的車速勻速行駛到主橋跨中時實施緊急制動，使其產(chǎn)生較大的制動力而對橋梁產(chǎn)生一定的沖擊作用，測定結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應。

動荷載試驗是一種自動化程度較高的測試方法。在脈動實驗中，通常用加速度、速度傳感器作拾振器，經(jīng)電荷放大，然后進行信號處理，最后繪制結(jié)構(gòu)振動的時域曲線或頻譜分析曲線，得出想要的自振參數(shù)。激振試驗通常采用位移、應變、速度或者加速度傳感器來獲取橋梁結(jié)構(gòu)受迫振動時響應情況和動態(tài)增量，繪出響應變量的時域曲線或頻域曲線，最后得出想要的動力系數(shù)。

1.3 測試截面及測點布置

(1)脈動試驗。監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)自振特性時，將速度或加速度拾振器放置在各跨的四分點斷面處，沿欄桿內(nèi)側(cè)分上、下游兩條線布置測點，按照順序?qū)γ總€斷面進行測試。

(2)激勵振動試驗。激勵振動試驗動應變測點布設，一般布置在主橋每一跨的1/2跨處，動態(tài)電阻應變儀一般粘貼在箱梁底面，對稱于橋梁縱向軸線布設。

1.4 動荷載試驗的應用

馬汊河大橋是(65+110+65)m變高度預應力混凝土連續(xù)梁橋，設計荷載等級為公路I級，箱梁采用單箱單室斷面形式，主橋箱梁采用掛籃懸臂澆筑結(jié)合部分支架現(xiàn)澆施工，除0#節(jié)段及邊跨現(xiàn)澆段采用支架現(xiàn)澆外，其余節(jié)段均采用對稱平衡懸臂逐段澆筑法施工。單個“T構(gòu)”除0#塊以外共分為14個節(jié)段，主墩墩頂處0#節(jié)段總長10 m，1#～14#節(jié)段縱向分段長度為(4×3.0+6×3.5+4×4.0)m，中跨及邊跨合攏段長度均為2.0 m，邊跨現(xiàn)澆段長度分別為8.84 m。主橋箱梁頂面設置6 cm厚C40混凝土調(diào)平層，橋面鋪裝采用4 cm SMA-13(SBS改性瀝青)+6 cm AC-20C(SBS改性瀝青)共10 cm厚瀝青混凝土。為了檢測該橋承載能力、適用狀況是否滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，保證橋梁的運營安全和行車舒適性，對此橋?qū)嵤﹦雍奢d試驗。

(1)自振頻率計算與檢測結(jié)果分析

本次計算采用橋梁結(jié)構(gòu)有限元分析軟件Midas/Civil 2015版對結(jié)構(gòu)進行特征值分析，采用梁單元進行模擬，橋面鋪裝和防撞墻作為附加質(zhì)量作用于主梁上，模型共96個節(jié)點，95個單元，計算模型如圖1所示，主梁理論計算一階振型如圖2所示。

圖1 結(jié)構(gòu)動力特性計算模型

圖2 主梁理論計算一階振型圖

通過結(jié)構(gòu)動力學的學習我們知道，橋梁結(jié)構(gòu)是由無數(shù)多個質(zhì)量體組成的，每個質(zhì)量體按照三個自由度計算，則橋梁上部結(jié)構(gòu)也有無窮多個自由度，結(jié)構(gòu)的自振頻率數(shù)等于自由度數(shù)，因此結(jié)構(gòu)存在無窮多階自振頻率，但是，結(jié)構(gòu)體整體振動的快慢、振動的形態(tài)往往是由低階振型決定的，結(jié)構(gòu)的第一階頻率(基頻)對結(jié)構(gòu)體的振動貢獻最大，因此此橋只計算它的基頻。通過建模理論計算，求得該橋豎向一階自振頻率為1.054 Hz。

因為本橋是三跨對稱結(jié)構(gòu)，由結(jié)構(gòu)動力學的知識可知：結(jié)構(gòu)質(zhì)量對稱，振型必對稱或反對稱。因此，脈動試驗可取半邊結(jié)構(gòu)的四分點來測得結(jié)構(gòu)的自振頻率，根據(jù)現(xiàn)場速度傳感器采集的數(shù)據(jù)，對時間波形進行頻譜分析，得到結(jié)構(gòu)的FFT平均譜，如圖3所示。

圖3 脈動試驗時結(jié)構(gòu)振動曲線頻譜分析圖

從圖3可以看出，該橋的一階自振頻率的實測值為1.42 hz，實測值大于理論計算值(1.054 Hz)，說明此橋的整體剛度成理想狀態(tài)，滿足設計要求。

(2)受迫振動測試結(jié)果與分析

激振試驗測的是橋跨結(jié)構(gòu)的動力響應，即移動荷載作用下各技術(shù)指標的動態(tài)增大效應，最終求得各工況下結(jié)構(gòu)的動力系數(shù)。該橋通過動態(tài)電阻應變儀來測得結(jié)構(gòu)的動應變，動應變測試截面為主跨跨中截面，測點布置在箱梁底面兩側(cè)。

動力系數(shù)可根據(jù)控制截面測點在行車試驗時記錄的動應變曲線進行分析處理而得，具體計算公式：μ=2Ydmax/(Ydmax+Ydmin)，其中μ為動力系數(shù)；Ydmax為主橋跨中截面測點最大動應變峰值；Ydmin為主橋跨中截面測點最大動應變谷值；(Ydmax+Ydmin)/2為主橋跨中截面測點最大靜應變值。

跑車試驗下結(jié)構(gòu)動應變時間歷程響應曲線如圖4～圖7所示。

圖4 車速10 km/h跑車試驗動應變曲線

圖5 車速20 km/h跑車試驗動應變曲線

圖6 車速30 km/h跑車試驗動應變曲線

圖7 車速30 km/h跑車試驗動應變曲線

從圖4至圖7中可以看到主橋跨中截面處動應變的整體趨勢。最后，經(jīng)數(shù)據(jù)處理分析得到跑車試驗下該橋的動力系數(shù)，具體結(jié)果詳見表1。由表1可知：橋梁結(jié)構(gòu)的動力系數(shù)與車輛行駛速度并非呈正比關(guān)系，而是受橋梁自振頻率與車輛自身振動頻率的接近程度的影響，二者頻率越靠近，結(jié)構(gòu)振動的越厲害。同時，試驗跨在不同車速下，動力系數(shù)均小于理論計算值1.05，表明此橋路面平整，車輛對橋梁的沖擊較小。

表1 跑車試驗動力系數(shù)測定值

跳車試驗模擬的是當橋面鋪裝凹凸不平，例如存在坑槽、破損等病害時橋梁的振動情況。跳車試驗下結(jié)構(gòu)動應變時間歷程響應曲線如圖9所示，通過對此曲線數(shù)據(jù)分析，得出此時的動力系數(shù)值為1.021，與跑車試驗行車速度10 km/h時的動力系數(shù)值1.006相比增大了不少，動力系數(shù)值越大，對橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力越不利，同時還大大影響人們的行車舒適性。因此保證橋面線形平順、鋪裝層平整無破損顯得尤為重要。

圖8 車速10 km/h跳車試驗動應變曲線

2 結(jié) 語

橋梁動荷載試驗是了解運營橋梁整體工作狀態(tài)和評定新建橋梁是否滿足設計要求的一項重要技術(shù)手段，動荷載試驗是橋梁靜荷載試驗的補充與發(fā)展，二者一起準確的診斷橋梁結(jié)構(gòu)的強度與剛度，發(fā)現(xiàn)常規(guī)檢測難以發(fā)現(xiàn)的隱蔽缺陷，為橋梁結(jié)構(gòu)的安全良好運營保駕護航。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展與應用，動荷載試驗必將成為一種更加精確、便捷和智能的橋梁檢測手段。