橋梁墩柱損傷動力測試分析及評價(jià)

韓之江，王易陽，呂立寧

(1.山西省交通科學(xué)研究院黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030006;2.河海大學(xué)大禹學(xué)院，南京 210098)

隨著交通建設(shè)事業(yè)的飛速發(fā)展，橋梁結(jié)構(gòu)作為公路的咽喉，安全性日益引起大家的關(guān)注。對于大型橋梁結(jié)構(gòu)損傷的準(zhǔn)確判定是當(dāng)前工程界的一個(gè)難點(diǎn)和關(guān)注熱點(diǎn)。采用傳統(tǒng)檢測方法超聲波法、回彈法、超聲回彈綜合法［1］和鉆芯法對混凝土內(nèi)部損傷判定均有一定局限性。本文以受損矩形薄壁橋墩作為工程實(shí)例，探討采用動力測試法［2］對受損橋墩的整體工作性能進(jìn)行評估。

1 工程概況

三交互通湫水河大橋，橋梁全長958 m，中心里程樁號為K29+847.5，上部結(jié)構(gòu)采用9×30 m小箱梁+7×33 m現(xiàn)澆連續(xù)箱梁+15×30 m小箱梁;下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩、實(shí)心墩(21#～29#橋墩采用矩形薄壁實(shí)心墩)，橋臺采用柱式臺、肋板臺;基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)。

該橋29#橋墩施工完畢后，由于從30#橋臺部位大量傾倒棄石，部分棄石對29#橋墩造成嚴(yán)重撞擊，致使29#橋墩表面出現(xiàn)大量撞擊造成的掉塊、劃痕等現(xiàn)象(圖1)。檢查結(jié)果:29#橋墩在距離承臺底面2～3 m位置存在明顯撞擊造成的混凝土缺陷，最大掉塊、露筋面積有0.5 m2，為掌握該橋墩受撞擊后的質(zhì)量狀況，通過橋墩動力性能測試，評定橋墩的工作性能。

圖1 29#橋墩立面照

2 檢測方法

檢測主要針對該橋29#橋墩損傷和破壞程度進(jìn)行檢測。由于29#橋墩已經(jīng)出現(xiàn)損傷和破壞，因此檢測時(shí)既要確保檢測方法安全有效，又要避免檢測所帶來的二次結(jié)構(gòu)損傷。綜合考慮，采用動測法對橋墩的整體工作性能進(jìn)行評估。動測法根據(jù)激勵類型可分為環(huán)境隨機(jī)激勵法和脈沖激勵法，本次試驗(yàn)分別采用環(huán)境隨機(jī)激勵法和脈沖激勵法兩種方法進(jìn)行對比測試。

環(huán)境隨機(jī)激勵法［3］是在橋址附近無規(guī)則震源的情況下，橋梁結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載、地脈動和水流等隨機(jī)荷載作用下產(chǎn)生微幅振動，利用動態(tài)測試系統(tǒng)測得結(jié)構(gòu)的這種微小隨機(jī)響應(yīng)信號，通過頻譜分析得出結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型和阻尼比等結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)，又稱脈動法。環(huán)境隨機(jī)激勵法的優(yōu)點(diǎn)是不需對結(jié)構(gòu)施加外部激勵即可進(jìn)行信號采集，主要缺點(diǎn)在于激勵能量微弱，而且環(huán)境激勵(地微動)也屬于強(qiáng)制振動，當(dāng)環(huán)境振動有明顯周期性時(shí)，可能會造成誤判。

脈沖激勵法是給結(jié)構(gòu)一個(gè)脈沖激勵信號，采集結(jié)構(gòu)在給定激勵信號下的響應(yīng)，通過頻譜分析識別出結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。脈沖激勵法的優(yōu)點(diǎn)在于脈沖激勵信號能量較強(qiáng)，短時(shí)間內(nèi)即可完成結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號的采集，主要缺點(diǎn)在于脈沖激勵往往難以激發(fā)低頻模態(tài)。

根據(jù)以往對橋梁結(jié)構(gòu)自振特性測試的實(shí)踐，考慮到試驗(yàn)橋墩是一種較低頻結(jié)構(gòu)，采用超低頻高靈敏度拾振器采集結(jié)構(gòu)振動信號，配備DH5907A橋梁模態(tài)無線測試系統(tǒng)作為測試設(shè)備。在動態(tài)測試與分析中，為有效防止高頻混疊現(xiàn)象，須將采樣前的信號限制在一定的頻帶范圍內(nèi)。根據(jù)采樣定理，為提高頻率分辨率，采樣頻率設(shè)置為100 Hz。

3 工作原理

動測法是一種間接檢測方法，其基本原理是:通過測試結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型和阻尼比等固有動力特性指標(biāo)，從側(cè)面評估結(jié)構(gòu)的整體安全性能及損傷程度。選用該方法進(jìn)行檢測，既不會對結(jié)構(gòu)造成損傷，又能綜合反映混凝土強(qiáng)度、澆筑質(zhì)量、損傷和破壞程度。

對于單個(gè)鋼筋混凝土橋墩而言，其自振頻率值主要由橋墩截面尺寸、截面形式、計(jì)算長度、約束條件、混凝土性能、施工質(zhì)量以及損傷等共同決定，在橋墩截面尺寸、截面形式、計(jì)算長度、約束條件既定的情況下，其自振頻率值則完全由混凝土的性能(主要是混凝土彈性模量和強(qiáng)度)，混凝土施工質(zhì)量(主要是密實(shí)情況)和結(jié)構(gòu)損傷決定［4］。因此只要獲得橋墩的自振頻率值，再將其與理論值進(jìn)行對比，就能對混凝土強(qiáng)度、混凝土施工質(zhì)量和結(jié)構(gòu)損傷三方面的綜合性能予以評估。

4 檢測結(jié)果的評定

按照《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》［5］(JTG/T J21-2011)5.9條:橋梁自振頻率變化不僅能夠反映結(jié)構(gòu)損傷情況，而且還能反映結(jié)構(gòu)整體性能和受力體系的改變。通過測試橋梁自振頻率的變化，可以分析橋梁結(jié)構(gòu)性能，評價(jià)橋梁工作狀況。參照橋梁自振頻率評定標(biāo)準(zhǔn)(表1)，對該橋橋墩的整體性能進(jìn)行評定，其中fdi為橋墩自振頻率理論值，fmi為橋墩自振頻率實(shí)測值。

表1 橋梁自振頻率評定標(biāo)準(zhǔn)

5 動力測試結(jié)果

采用江蘇東華的DH5907A橋梁模態(tài)無線測試系統(tǒng)對該橋墩的動力特性進(jìn)行測試。測試分別采用環(huán)境隨機(jī)激振和脈沖激勵兩種方式。脈沖激勵采用橡皮錘敲擊橋墩，對橋墩結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個(gè)脈沖激勵信號。利用高靈敏度的拾振器和放大記錄設(shè)備，對橋墩的振動響應(yīng)信號進(jìn)行采集取樣，借助數(shù)字信號數(shù)據(jù)處理技術(shù)，獲得橋墩動力特性參數(shù)。

為確保測試結(jié)果可靠性，同時(shí)利于測試數(shù)據(jù)的綜合分析，在對該橋左、右幅29#墩測試的同時(shí)，對左、右幅25#墩，左、右幅26#墩，左幅27#墩也進(jìn)行了測試。在右幅25#墩頂、下部各放置一個(gè)傳感器測點(diǎn)，測試結(jié)果如圖2、圖3所示。該橋墩由于墩高較高，結(jié)構(gòu)下部動力響應(yīng)較小，墩頂測點(diǎn)準(zhǔn)確獲取了結(jié)構(gòu)一階、二階自振頻率值，下部測點(diǎn)一階頻率值不明顯，二階頻率值較為明顯，上、下測點(diǎn)實(shí)測二階頻率值一致。由于多數(shù)橋墩無法到達(dá)墩頂位置，因此測試結(jié)果取結(jié)構(gòu)二階頻率值。測試結(jié)果見表2。

表2 橋墩自振頻率實(shí)測結(jié)果

6 理論計(jì)算

采用midas/civil有限元分析軟件，對橋墩結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元建模分析(圖4)。有限元模型中橋墩的截面形式、強(qiáng)度和彈性模量均以設(shè)計(jì)值考慮，不考慮橋墩存在任何施工缺陷和實(shí)體損傷，橋墩端部約束條件為全約束，未考慮樁基的影響，因此橋墩計(jì)算模型剛度較結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度稍大，所得自振頻率計(jì)算值較理論真實(shí)值略大，以此計(jì)算結(jié)果按照表1的方法對橋墩性能進(jìn)行評價(jià)將偏于安全。橋墩結(jié)構(gòu)自振頻率計(jì)算結(jié)果見表3。

圖4 結(jié)構(gòu)有限元模型

表3 橋墩自振頻率理論計(jì)算結(jié)果

7 測試結(jié)果分析

由測試頻譜曲線圖5、圖6可以看出環(huán)境隨機(jī)激勵下結(jié)構(gòu)低階模態(tài)參數(shù)被完全激勵出來，而高階模態(tài)參數(shù)沒有被激勵出來;在脈沖激勵下結(jié)構(gòu)頻譜曲線較為復(fù)雜，高階模態(tài)參數(shù)也被激勵出來。兩種測試方法低階模態(tài)參數(shù)結(jié)果基本一致，考慮測試橋墩屬低頻結(jié)構(gòu)，脈沖激勵信號能量難以準(zhǔn)確掌握，模態(tài)參數(shù)難以準(zhǔn)確判定。以環(huán)境隨機(jī)激勵測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

由圖7、圖8可以看出，橋墩頻率理論計(jì)算值和無損傷橋墩頻率實(shí)測值沿橋墩高度分布均可用二次曲線較好地?cái)M合，兩者回歸方程近似一致，有損傷橋墩實(shí)測頻率值則與理論計(jì)算頻率值偏差較大。

按照表1的方法對測試橋墩性能進(jìn)行評價(jià)，評價(jià)結(jié)果見表4。根據(jù)結(jié)構(gòu)動力測試分析結(jié)果，左右幅29#墩頻率實(shí)測值明顯小于理論值，且受撞擊影響較大的左幅29#墩實(shí)測值與理論值比值最小，僅為0.87。這充分說明墩柱受撞擊造成的內(nèi)部損傷已導(dǎo)致墩柱動力特性參數(shù)不滿足設(shè)計(jì)要求。

表4 橋墩評價(jià)結(jié)果

8 建議

根據(jù)墩柱動力特性測試分析結(jié)果，29#墩實(shí)測值明顯小于理論計(jì)算值，不能滿足設(shè)計(jì)要求。為確保結(jié)構(gòu)在未來使用過程中的安全，建議對29#墩進(jìn)行相應(yīng)的加固處理，可對墩身進(jìn)行截面補(bǔ)強(qiáng)，同時(shí)對墩身四周進(jìn)行砌石防護(hù)。

［1］趙慶昌.超聲回彈綜合法檢測結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度應(yīng)用［J］.山西交通科技，2010(3)：62-64.

［2］王國朋.簡支T梁橋的動力性能檢測試驗(yàn)［J］.山西交通科技，2009(5)：35-36.

［3］唐懷平，王鳳勤.大跨徑橋梁自振特性試驗(yàn)的環(huán)境隨機(jī)激振法［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2000(2)：126-128.

［4］姚振綱，劉祖華.建筑結(jié)構(gòu)試驗(yàn)［M］.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1996.

［5］JTG/T J21-2011，公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程［S］.