預應力連續T 梁橋動力特性測試與損傷分析

■陳文昌

（漳州市交通運輸綜合行政執法支隊，漳州 363000）

隨著我國經濟的發展， 公路交通建設突飛猛進。 特別是改革開放40 年來，公路橋梁日新月異，建設了大量的各種橋型。 隨著交通量的猛增，大量病害損傷問題逐漸涌現，給公路養護部門帶來了壓力。 橋梁檢測、評估工作在橋梁工程中將占有重要地位[1-3]。 目前，橋梁檢測的主要手段是對橋梁進行靜載、動載試驗，通過靜載試驗評估橋梁是否安全可靠，通過動載試驗分析由傳感器采集到的橋梁響應信號，獲取橋梁的模態參數，如自振頻率、振型、阻尼比[4-6]。 本文以漳州市某五跨預應力混凝土連續T 梁橋為例， 介紹了該橋動載試驗和模態參數識別的過程與方法，并對橋梁局部位置損傷和預應力損失是否影響動力特性參數做出討論。

1 工程概況

G324 線云霄城關大橋項目位于漳州市云霄縣云陵鎮，總長約1.7 km。其中第四聯為5 m×30 m 的預應力連續T 梁橋，該橋橫斷面由5 片T 梁組成，T 梁高為2 m，且每跨布置2 道端橫隔板和5 道中橫隔板。 橫向斷面布置為： 防撞欄 （0.5 m）+行車道（11.75 m）+防撞欄（0.5 m）。橋面鋪裝層表層為瀝青混凝土，厚8 cm；底層為現澆混凝土，厚6 cm。 具體橫斷面如圖1 所示。

圖1 橋梁橫斷面

2 結構有限元動力特性分析模型

運用Midas Civil 軟件，建立預應力連續T 梁橋有限元模型進行研究。主梁截面材料主要由C50 混凝土組成，彈性模量為34.5 GPa，密度為2600 kg/m3。橋面鋪裝和橫隔板混凝土材料特性與主梁相同。 邊界條件按照設計圖紙中支座的類型和布置進行設置，并將橋面鋪裝荷載和自重轉換為質量進行模態分析。 以橋梁左幅第四聯為例， 有限元模型如圖2所示。

圖2 橋梁左幅第四聯有限元模型

3 動力特性測試與結果對比

3.1 動力特性測試的概念

動力特性測試屬于橋梁動載試驗中的一項測試內容，主要測試結構的自振頻率、振型和阻尼比。測試的理論基礎為橋梁結構的損傷將導致結構剛度發生變化，并引起動力特性發生改變。 動力特性測試的檢測速度快、投入少，測試結果具有客觀性強且能夠發現隱蔽部位的病害等優點[7]。

3.2 動力特性測試內容與方法

本文采用自然環境激勵法來測量分析橋跨結構的動力特性[8]，在橋面無交通荷載及橋址附近沒有規則振源的情況下，測定橋跨結構由于橋址處風荷載等隨機荷載激振而引起的橋跨結構的微小振動響應，以測量橋梁的自振頻率及振型。 試驗數據采集使用豎向速度傳感器，測點布置如圖3 所示。

圖3 橋梁左幅第四聯自由振動試驗測點布置圖

3.3 動力特性試驗與有限元計算結果及對比

通過采集分析該橋動荷載試驗及有限元計算結果分別得到對應的基頻及振型如表1、圖4 所示。圖4 為該橋前3 階振型理論值與實際值。

表1 橋左幅第四聯動力特性

圖4 結構理論振型與實測振型對比圖

現場自振特性試驗結果表明，該橋豎彎實測振型與理論振型吻合，說明測試結果真實、可信，且實測一階自振頻率大于理論值，說明該橋整體剛度較好，有較強的抗沖擊性能。

4 損傷對T 梁動力特性的影響分析

4.1 支座處主梁截面損傷影響

為研究橋梁在實際工程中的損傷基頻，本文以支座處主梁剛度折減來模擬損傷程度，在上述模型中對支座處主梁剛度分別折減0.5、0.7，并與實際橋梁基頻對比。 在有限元模型中，主梁剛度的折減主要通過削減截面剛度特性來實現精準模擬，模擬結果如圖5 所示。

從圖5 中橋梁前10 階頻率來看，支座處主梁損傷越大（剛度折減越大），全橋整體基頻下降越明顯，且高階次的頻率測試效果較低階次的測試效果更加顯著。 低階次較難分辨出剛度折減帶來的影響。

圖5 支座處主梁剛度折減基頻

4.2 跨中截面損傷影響

為研究橋梁跨中截面損傷對橋梁基頻的影響，本文以跨中處主梁截面剛度折減來模擬損傷程度，在上述模型中對跨中處主梁剛度分別折減0.5、0.7，并與實際橋梁基頻對比。 在有限元模型中，主梁剛度的折減主要通過削減截面剛度特性來實現精準模擬，模擬結果如圖6 所示。

圖6 主梁跨中剛度折減基頻

從圖6 可知，與支點剛度折減類似，橋梁前10 階頻率來看，跨中處主梁損傷越大，全橋整體基頻下降明顯，高階與低階頻率測試效果類似，均能夠較顯著地反應結構剛度的變化。

4.3 橫隔梁剛接縫損傷影響

為研究橋梁中橫隔板剛接縫損傷對全橋基頻的影響，以剛接縫剛度折減來模擬損傷程度，在上述模型中對剛接縫剛度分別折減0.5、0.7，并與實際橋梁基頻對比（剛度未折減）。 在有限元模型中通過降低橫向聯系的截面特性模擬接縫處剛度的折減。

由圖7 可知，前5 階基頻幾乎都相同，后5 階基頻隨著剛接縫損傷程度增加，全橋整體基頻僅受輕微影響， 說明橫隔梁剛接縫損傷對預應力連續T梁橋前10 階振型及頻率的影響并不明顯。

圖7 橫隔板剛接縫剛度折減基頻

4.4 預應力損失的影響

預應力的存在，對結構的靜力效應有積極的作用， 能夠補充混凝土材料抗拉強度不足的劣勢，充分發揮其抗壓強度大的優勢，同時節約材料，還可以改變結構的剛度，增加結構穩定性，減小結構的變形等。

為研究預應力損失對結構基頻的影響，選取某在建項目梁場中某30 m 預制T 梁。 在預張拉0%、30%、50%、70%跟100%張拉力的情況下，現場測試梁片的前10 階振動頻率， 同時建立有限元模型進行模擬分析。 現場實測頻率值如表2 所示，對比分析如圖8、圖9 所示。

表2 不同張拉力下前10 階實測頻率結果

圖8 不同預張拉力作用下梁片的基頻實測值與理論值曲線

圖9 不同張拉力下的實測頻率

結果顯示，30 m 簡支T 梁，頻率都是隨階數上升而增大，但并未隨張拉力增大而明顯變化，預張拉力對頻率影響較小，其兩者之間并沒有明確的等效關系。

5 結論

綜上所述，研究結果顯示：（1）對比橋梁動載試驗和有限元數值分析結果， 實測一階基頻大于理論值，表明在結構無病害存在的情況下，整體剛度較好，有良好的動力性能。 （2）橋梁支座處主梁的損傷會影響全橋的基頻， 并且隨著損傷程度的增加，全橋整體的基頻降低。 （3）跨中處主梁的損傷對全橋剛度的影響明顯， 且高階與低階頻率測試效果類似， 均能夠較顯著地反應結構剛度的變化。 （4）橫隔板剛接縫的損傷對結構的動力特性影響不大，隨著剛接縫損傷程度的增加，全橋整體基頻并沒有明顯降低。 （5）實測結果表明，結構整體基頻主要影響因素是整體剛度， 預應力對結構自振頻率有增大的影響，但影響較小，兩者之間沒有明顯的比例關系。