橋梁動(dòng)力測(cè)試及舒適性評(píng)價(jià)研究

王高科，蔡正東

（1.寧波市城建設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 寧波 315012；2.中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司，湖北 武漢 430034）

0 引 言

目前許多學(xué)者不僅關(guān)注鐵路橋梁特別是高速鐵路橋梁的結(jié)構(gòu)安全性，同時(shí)也關(guān)注行車的舒適性，《高速鐵路橋梁運(yùn)營(yíng)性能檢定規(guī)定（試行）》（TG/GW 209—2014）對(duì)鐵路橋梁的自振頻率和振幅都有嚴(yán)格的規(guī)定和要求。對(duì)于公路橋梁而言，有關(guān)橋梁行車引起人的舒適性問題研究并不多，《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG-T-J21-01—2015）也僅是對(duì)橋梁模態(tài)的測(cè)試作了較為詳細(xì)的說明，但對(duì)橋梁在車輛荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)方面描述較少。

本文以浙江省某先簡(jiǎn)支后連續(xù)鋼混組合梁為工程背景，對(duì)該橋進(jìn)行了動(dòng)力試驗(yàn)。在進(jìn)行橋梁制動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，感覺到梁體水平晃動(dòng)非常厲害。通過分析該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，對(duì)橋梁舒適性評(píng)價(jià)進(jìn)行了研究[1-2]。

1 概述

某4×20 m 先簡(jiǎn)支后連續(xù)鋼混組合梁，橫向由4 片鋼縱梁組成，梁高1.33 m，鋼縱梁上方通過剪力釘與厚為20 cm 的混凝土形成組合梁結(jié)構(gòu)。橋梁分左右2 幅，每幅橋面凈寬11.25 m；每片鋼梁底部采用GJZF4 和GJZ 兩種類型板式橡膠支座。橋墩采用鋼筋混凝土空心薄壁墩和樁柱式橋墩，其中5# 墩高63.41 m，6# 墩高45.77 m，7# 墩高25.77 m，8# 墩高10.07 m，橋臺(tái)采用座板臺(tái)。

組合梁縱斷面圖見圖1，標(biāo)準(zhǔn)斷面圖見圖2。

圖1 組合梁縱斷面圖（單位：cm）

圖2 組合梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖（單位：cm）

2 動(dòng)力測(cè)試方案

動(dòng)力測(cè)試主要包括脈動(dòng)試驗(yàn)和強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)。其中強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)包括跑車試驗(yàn)、跳車試驗(yàn)和剎車試驗(yàn)。脈動(dòng)試驗(yàn)和跑車試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置圖見圖3。

圖3 脈動(dòng)試驗(yàn)和跑車試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置圖（單位：cm）

對(duì)該橋進(jìn)行動(dòng)載試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)在試驗(yàn)荷載（重350 kN）下剎車時(shí)，該橋跨橋面上試驗(yàn)人員明顯感覺到梁體的水平晃動(dòng)，但尚在人體忍受范圍內(nèi)。為了分析晃動(dòng)原因，對(duì)不同車速下的剎車工況進(jìn)行了補(bǔ)充測(cè)試，測(cè)試速度包括30 km/h、40 km/h、50 km/h、60 km/h。

剎車試驗(yàn)縱向測(cè)點(diǎn)布置圖見圖4。

圖4 剎車試驗(yàn)縱向測(cè)點(diǎn)布置圖

3 測(cè)試結(jié)果分析

3.1 脈動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析

脈動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 脈動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

由表1 可知，實(shí)測(cè)1 階豎向?qū)ΨQ彎曲振動(dòng)頻率為3.691 Hz，計(jì)算值為3.677 Hz，實(shí)測(cè)值大于計(jì)算值，說明實(shí)橋的豎向動(dòng)力剛度滿足《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG/T J21-01—2015）第6.6.8 條的要求。實(shí)測(cè)阻尼比為0.702%～1.185%。

3.2 跑車和跳車試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析

跑車試驗(yàn)時(shí)主要測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)振幅值見表2，跳車試驗(yàn)時(shí)主要測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)振幅值見表3。

由表2、表3 可知：跑車試驗(yàn)時(shí)主橋主梁豎向最大振幅實(shí)測(cè)值為0.30 mm；跳車試驗(yàn)時(shí)邊跨最大振幅實(shí)測(cè)值為0.40 mm，中跨最大振幅實(shí)測(cè)值為0.36 mm。所有測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)振幅值均不大，在合理范圍之內(nèi)。

表2 跑車試驗(yàn)時(shí)主要測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)振幅值 單位：mm

表3 跳車試驗(yàn)時(shí)主要測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)振幅值 單位：mm

3.3 剎車工況測(cè)試結(jié)果分析

3.3.1 動(dòng)力響應(yīng)曲線分析

通過分析30～60 km/h 不同車速下各測(cè)點(diǎn)的時(shí)程曲線，可以發(fā)現(xiàn)在試驗(yàn)車輛剎車后，橋面縱向測(cè)點(diǎn)有一個(gè)較大的響應(yīng)，并在較短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常。圖5為50 km/h 車速下在中跨L/2 處剎車時(shí)各測(cè)點(diǎn)的時(shí)程曲線。對(duì)該時(shí)程曲線進(jìn)行頻域分析，可以得到各縱向測(cè)點(diǎn)幅值功率譜的振動(dòng)頻率為1.152 Hz。圖6 為50 km/h 車速下在中跨L/2 處剎車時(shí)各測(cè)點(diǎn)的幅值功率譜。

圖5 50 km/h 車速下在中跨L/2 處剎車時(shí)各測(cè)點(diǎn)的時(shí)程曲線

圖6 50 km/h 車速下在中跨L/2 處剎車時(shí)各測(cè)點(diǎn)的幅值功率譜

3.3.2 動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果分析

通過分析30～60 km/h 不同車速下的剎車工況動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果，得到剎車試驗(yàn)時(shí)各測(cè)點(diǎn)的縱向振幅值為1.95～2.92 mm（見表4）；強(qiáng)迫振動(dòng)頻率為0.918～1.152 Hz（見表5）；剎車工況下的阻尼比為6.766%～10.248%（見表6）。由此可見，不同車速下剎車工況的動(dòng)力響應(yīng)值比較接近，動(dòng)力響應(yīng)頻率在1 Hz 左右，縱向阻尼比較大，因此動(dòng)力響應(yīng)能量能在較短時(shí)間內(nèi)衰減完畢。

表4 剎車試驗(yàn)時(shí)各測(cè)點(diǎn)縱向振幅測(cè)試值 單位：mm

表5 不同車速下剎車時(shí)各測(cè)點(diǎn)強(qiáng)迫振動(dòng)頻率 單位：Hz

表6 不同車速下剎車時(shí)各測(cè)點(diǎn)阻尼比 單位：%

3.4 舒適性評(píng)價(jià)分析

根據(jù)文獻(xiàn)[3]，實(shí)際上人在步行狀態(tài)下對(duì)豎向2 Hz和水平1 Hz 左右的振動(dòng)較敏感，而剎車工況下動(dòng)力響應(yīng)頻率均在1 Hz 左右，因此會(huì)造成人對(duì)振動(dòng)有較大的感覺。本文通過狄克曼指標(biāo)對(duì)振動(dòng)敏感度進(jìn)行評(píng)價(jià)[4-5]。狄克曼指標(biāo)K 又稱振動(dòng)敏感度，橫向振動(dòng)的狄克曼指標(biāo)K 的計(jì)算式為：

式中：D 表示振動(dòng)幅值；f 表示強(qiáng)迫振動(dòng)頻率。

狄克曼指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表7，不同車速下剎車時(shí)順橋向的狄克曼指標(biāo)K 值見表8。

表7 狄克曼指標(biāo)評(píng)價(jià)表

由表8 可知，不同車速下剎車時(shí)順橋向K 值為1～10 之間，表明順橋向振動(dòng)在人體可以忍受的范圍，與實(shí)際情況吻合。

表8 不同車速下剎車時(shí)順橋向狄克曼指標(biāo)K 值

3.5 振動(dòng)原因分析

該橋?yàn)? 跨先簡(jiǎn)支后連續(xù)鋼混組合梁，每片梁底均設(shè)置有矩形橡膠支座，其中5#橋墩最高超過60 m。考慮到橋墩縱向剛度較弱，剎車試驗(yàn)時(shí)，橋墩在縱向沖擊力下會(huì)來回晃動(dòng)，導(dǎo)致梁體縱向振動(dòng)較大，使人感覺明顯晃動(dòng)。另外，該橋未在剛度較大的墩臺(tái)上設(shè)置固定支座，是導(dǎo)致梁體縱向水平晃動(dòng)厲害的間接原因。建議在此類橋梁剛度較大的墩臺(tái)處設(shè)置固定支座，以使橋梁行車舒適性更佳。

4 結(jié) 語

（1）動(dòng)力特性結(jié)果表明該橋動(dòng)力剛度滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

（2）該橋順橋向振動(dòng)處于人體容易感受到的頻域范圍，目前橋梁順橋向振幅最大值不超過3 mm，且橋梁順橋向阻尼比較大，在剎車后橋梁縱向能夠立即消能，伸縮縫工作均正常，表明該振動(dòng)對(duì)橋梁安全運(yùn)營(yíng)影響不大。

（3）目前規(guī)范中關(guān)于梁橋振動(dòng)研究以及評(píng)價(jià)指標(biāo)較少，本文所采用的評(píng)價(jià)方法可為同類橋梁提供參考。

（4）建議高墩橋梁設(shè)計(jì)中，在剛度較大的墩臺(tái)處設(shè)置固定支座。