基于動撓度和動應變下多跨連續箱梁橋沖擊系數特征及偏差成因分析

■溫龍輝

（1.福建省高速技術咨詢有限公司，福州 350001；2.福建省高速公路工程重點實驗室，福州 350001）

橋梁結構位移及內力研究中發現，一定的車速會導致結構產生振動，車輛活載作為主要激勵相較于同等靜力荷載作用效果愈加明顯[1]。 該振動現象源于橋梁結構與車輛雙系統的相互作用，涉及因素包括系統自身的動力特性、橋面平整度及車輛運行狀況等[2-3]。 沖擊系數μ 是設計公路橋梁[4]過程中的參數， 用于求解汽車荷載作用橋梁結構的沖擊力，該沖擊力值等于車輛荷載與沖擊系數μ 的積，汽車荷載的總效應等于（1 +μ）乘以車輛荷載[5]。 參照國內外有關動載試驗確定橋梁沖擊系數的試驗，影響沖擊系數因數較多[6-8]。

目前采集沖擊系數可以運用動撓度和動應變2種常見的方式。 動擾度是對橋梁剛度最為實時的反應，是橋梁監測的重要參數，也是橋梁安全評價和健康監測的重要指標。 鑒于動擾度數據的獲取易受限于采集方法、儀器設備的靈敏度與監測場地環境狀況等因素，特別對于大跨度、高凈空的橋梁由于無法搭設穩定的支架導致采集受限。 對于無法進行動擾度測試的橋梁，動應變也可作為評價汽車動荷載對橋梁的沖擊作用的測試方法。

本研究從一座連續箱梁橋選取出試驗跨，展開動態應變和動態撓度實測試驗，解析結構的動力特征，對沖擊系數的偏差進行分析。

1 橋梁工程概況

福建某高速A 匝道3 號橋， 橋梁總長99.5 m，橋寬17.351～18 m。 上部結構采用3×16 m+3×16 m連續現澆箱梁，下部結構采用柱式墩配鉆孔灌注樁基，起點臺采用柱式臺配鉆孔灌注樁基礎。 起點臺處設置D-80 伸縮縫， 交接墩3#、6# 設D-80 伸縮縫；設計荷載：公路-I 級（圖1～2）。

圖1 橋型布置圖

圖2 上部結構橫斷面圖

2 有限元模態及沖擊系數特性分析

2.1 結構計算及模態分析

采用橋梁專業有限元軟件Midas/Civil 對該橋上部結構進行有限元建模分析。 箱梁混凝土采用C50 混凝土， 其相應的彈性模量E=3.45×104MPa，容重γ=26 kN/m3。采用設計荷載：公路-I 級。有限元模型見圖3。

圖3 有限元模型（梁格法）

利用程序動力方程式求解出橋梁動力特性，求解特征值與特征向量，該結構前各階自振頻率及其對應的振型，豎向第1 階模態參數理論值8.62 Hz、豎向第2 階模態參數理論值10.33 Hz（圖4）。 根據JTG D60-2015《公路橋涵設計通用規范》橋梁結構基頻f=8.62 Hz 時，規范計算沖擊系數值μc=0.365。

圖4 豎向實測和計算振型圖

2.2 橋梁動載試驗

試驗選取2 輛總重約420 kN 的車， 以不同車速并保持勻速同向駛過橋跨結構。 參考匝道橋具體情況，分別將機車速度設置為5、10、20 km/h。 試驗車在行駛時對橋面作用了沖擊力，進而導致橋梁結構出現振動。 選取出橋跨結構合適的主要控制截面測點， 利用動力測試系統持續測定目標點振動值，形成振動曲線圖，解析出結構處于受迫振動下的頻率等相關系數。

通過橋梁動態應變采集模塊測定橋梁在行車沖擊作用下的動應變等參數。 同時采用多點動態位移檢測系統測定橋梁在行車沖擊作用下的動撓度參數，試驗中選擇第4 跨主梁梁底布置動力響應（動應變和動撓度相同）測點。 布置見圖5 和圖6。

圖5 動載試驗動力響應測試截面布置圖

圖6 動載試驗截面動撓度測和動應變點布置圖

本試驗選擇相同時間、相同部位、采用不同的設備采集橋梁的動應變和動撓度數據信號，分析計算在不同車速狀況下橋跨結構的沖擊系數（圖7）。試驗現場采集儀器參數見表1。

圖7 采集現場圖片

表1 試驗現場采集儀器參數

2.3 動應變下沖擊系數特性分析

橋梁結構沖擊系數實測結果見表2，可以看出各跑車工況下， 邊跨最大正彎矩D-D 截面實測沖擊系數在0.099～0.112， 均小于理論計算沖擊系數值μc=0.365。 各行車速度下測點的動應變時程曲線見圖8。

表2 橋梁結構沖擊系數實測結果

圖8 第4 跨正彎矩截面測點實測動應變時程響應曲線

2.4 動撓度下沖擊系數特性分析

橋梁結構沖擊系數實測結果見表3，可以看出各跑車工況下， 邊跨最大正彎矩D-D 截面實測沖擊系數在0.130～0.166，均小于理論計算沖擊系數值μc=0.365。各行車速度下測點的動撓度時程曲線見圖9。

圖9 第4 跨正彎矩截面測點實測動撓度時程響應曲線

表3 橋梁結構沖擊系數實測結果表

3 沖擊系數結果偏差及成因分析

（1）基于動撓度和動應變采集分析得到橋梁結構的沖擊系數均小于理論計算值，且實測值與理論值相差較大，說明橋梁結構整體剛度和行車性能較好，此橋的安全儲備較高。 （2）從此次橋梁動載試驗結果可知，動撓度和動應變下實測的結果與理論值均有較大偏差，造成上述結果的可能原因有：①測試環境影響，動應變容易受環境溫度的影響，橋梁撓度檢測儀容易受風速、儀器支架穩定性的影響；②跑車荷載等級影響，不同荷載的汽車對橋梁的沖擊系數也會發生變化，規范中顯示，沖擊系數關聯的計算式是建立在概率統計的基礎上，結合了各種情況給出沖擊系數近似結果，并沒有明確給出跑車荷載的影響；③車輛與橋梁的耦合作用對沖擊系數的影響也較明顯，一旦車輛、橋梁間相應的耦合作用出現變化，得到的橋梁沖擊系數就相繼出現變化。（3）跑車速度對沖擊系數測試結果有影響。本次橋梁動載試驗的5～20 km/h 不同駕駛速度的實驗車工作時，車速的不同，沖擊系數結果亦產生明顯差異。 當車速逐漸增至較大值時，跑車系統的振動幅度有明顯增大，橋梁所受激勵力繼而增大，但與此同時降低了橋梁系統與跑車系統之間的接觸時長，結構振動儲蓄的能量相對縮減，沖擊系數隨之減小。 （4）受匝道橋影響，此次跑車速度均為低速，采得沖擊系數難以較精準反映橋梁系統動力特性。數據研究發現，處于中等車速時，橋梁由車輛導致的沖擊振動易出現峰值[5]。 （5）試驗中對比實測動撓度和動應變下橋梁結構的沖擊系數，動撓度下沖擊系數值均大于動應變下沖擊系數值，說明動撓度下采得的沖擊系數值比較接近于理論值。 這是由于結構整體變形量體現于動擾度，結構局部的效應體現于動應變，通過局部效應指標調整整體效應指標的方法有待進一步研究。

4 結論

橋梁沖擊系數的影響因素眾多，若要合理且全面地解答沖擊系數難題，仍需深化問題并探索解決方案，在此就橋梁動載試驗給出幾點建議：（1）橋梁動載試驗中，動力特性沖擊系數采集優先選用動撓度方法；（2）依據《公路橋梁荷載試驗規程》無障礙跑車試驗：宜在5～80 km/h 范圍內取多個大致均勻分布的車速進行行車試驗；（3）動載試驗采用的加載車輛的荷載等級可以多樣，且每種等級車輛應進行2～3 次重復試驗。