基于動(dòng)載試驗(yàn)的板橋檢測及性能分析

王兆斌

(山西省孝義市公路管理段，山西孝義032300)

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，公路貨運(yùn)量大幅增長，交通流密度及車輛載重越來越大，致使部分公路橋梁不滿足使用要求，制約了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展［1］.橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力荷載試驗(yàn)是評(píng)判橋梁承載能力和運(yùn)營狀況的有效手段之一［2］.橋梁動(dòng)力荷載試驗(yàn)基于結(jié)構(gòu)固有模態(tài)參數(shù)的檢測，分析橋梁結(jié)構(gòu)自振特性和車輛動(dòng)力荷載與橋梁結(jié)構(gòu)聯(lián)合振動(dòng)特性，可較準(zhǔn)確計(jì)算出橋梁現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)安全狀況和承載能力，為公路橋梁的運(yùn)營養(yǎng)護(hù)管理提供重要理論依據(jù)［3-6］.以動(dòng)力荷載的試驗(yàn)方法對(duì)山西省某八跨簡支預(yù)應(yīng)力空心板梁橋?qū)嶓w檢測，分析其整體動(dòng)力性能，對(duì)提高橋梁的安全性具有重要現(xiàn)實(shí)意義.

1 工程概況

該橋建于1995年4月，橋梁全長143 m，上部結(jié)構(gòu)為八跨簡支預(yù)應(yīng)力空心板，橫向分布13塊板，每跨橋長16 m.橋面寬度凈15 m(行車道)+2×0.5 m(護(hù)欄)，橋?qū)?6 m.下部結(jié)構(gòu)為樁柱式橋墩，基礎(chǔ)橋臺(tái)為重力式橋臺(tái).設(shè)計(jì)荷載:公路－Ⅰ級(jí).

2 動(dòng)載試驗(yàn)

橋梁動(dòng)力荷載試驗(yàn)是指橋梁在實(shí)際的動(dòng)荷載作用下，測定橋梁結(jié)構(gòu)振幅、動(dòng)應(yīng)力、加速度以及沖擊系數(shù)等動(dòng)力響應(yīng)，這些參數(shù)反映了橋梁結(jié)構(gòu)在動(dòng)荷載作用下的受力狀態(tài)及動(dòng)力作用對(duì)駕駛員、乘客及行人舒適性的影響.把實(shí)測數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行處理分析，可揭示橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)的內(nèi)在規(guī)律，綜合評(píng)價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能.

2.1 動(dòng)載試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)地交通調(diào)查，結(jié)合常規(guī)檢查及無損檢測結(jié)果，選擇確定該橋第三跨作為檢測橋跨進(jìn)行動(dòng)力荷載試驗(yàn).動(dòng)載試驗(yàn)工況見表1，傳感器測點(diǎn)布置如圖1所示.

表1 動(dòng)載試驗(yàn)工況表

圖1 第三跨傳感器測點(diǎn)布置(單位:cm)

1)脈動(dòng)試驗(yàn)

脈動(dòng)試驗(yàn)是指橋梁只受環(huán)境和大地激勵(lì)下產(chǎn)生微弱振動(dòng)，通過橋上布置的高靈敏度傳感器記錄橋梁的振動(dòng)情況，經(jīng)動(dòng)力分析計(jì)算出結(jié)構(gòu)的豎向自振頻率.

2)跑車試驗(yàn)

跑車試驗(yàn)是指試驗(yàn)車以不同行駛速度通過橋梁，使橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度的強(qiáng)迫振動(dòng)，車輛產(chǎn)生的激振力頻率會(huì)與橋梁結(jié)構(gòu)的某階固有頻率比較接近，橋梁結(jié)構(gòu)在該頻率下會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，此時(shí)橋梁各部位的振動(dòng)響應(yīng)達(dá)到最大.在車輛駛離橋跨后，橋梁作自由衰減振動(dòng)，通過檢測的波形曲線得到橋梁的動(dòng)力特性.試驗(yàn)載重汽車在工況二、三下分別以20 km/h、30 km/h的車速勻速駛過橋梁，以測定橋梁在不同行車速度下試驗(yàn)截面的動(dòng)力響應(yīng)時(shí)程曲線.跑車試驗(yàn)實(shí)景圖如圖2所示.

圖2 跑車試驗(yàn)實(shí)景

2.2 沖擊系數(shù)的確定

動(dòng)荷載沖擊系數(shù)是指結(jié)構(gòu)的動(dòng)撓度與靜撓度的比值.撓度反映了橋跨結(jié)構(gòu)的整體變形，是衡量結(jié)構(gòu)剛度的主要指標(biāo)，因此活載沖擊系數(shù)綜合反映了荷載對(duì)橋梁的動(dòng)力作用.通過工況二、三跑車試驗(yàn)記錄的跨中撓度時(shí)程曲線等數(shù)據(jù)，沖擊系數(shù)可由式(1)計(jì)算得到:

式中:Ydmax為動(dòng)載作用下該測點(diǎn)最大撓度值，即最大波峰值;Ydmean為相應(yīng)的靜載作用下該測點(diǎn)最大撓度值，其值可由動(dòng)撓度曲線求得(即本次波形的振幅中心軌跡線頂點(diǎn)值)，公式為

式中:Ydmax為動(dòng)載作用下該測點(diǎn)最大撓度值，即最大波峰值;Ydmin為動(dòng)載作用下相應(yīng)的最小撓度值，即同周期波谷值.

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 脈動(dòng)試驗(yàn)

脈動(dòng)試驗(yàn)中傳感器采集的測點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)程曲線見圖3，頻率計(jì)算結(jié)果如圖4所示.

由圖3可見該橋平均脈動(dòng)加速度為0.013 mm/s2，在81 s時(shí)加速度達(dá)最大值0.14 mm/s2，表明該橋自身振動(dòng)情況較小.通過對(duì)圖3所示的測點(diǎn)加速度時(shí)程曲線進(jìn)行傅里葉變換，得到各個(gè)測點(diǎn)的位移功率譜，并對(duì)其寬帶隨機(jī)響應(yīng)相關(guān)分析得到相關(guān)功率譜，進(jìn)行譜分析，并通過模態(tài)識(shí)別分析得到圖4所示的試驗(yàn)橋跨實(shí)測豎向一階頻率圖.

圖3 脈動(dòng)試驗(yàn)測點(diǎn)加速度時(shí)程曲線

圖4 脈動(dòng)試驗(yàn)測點(diǎn)傅里葉變換頻率

當(dāng)外界環(huán)境和大地對(duì)橋梁產(chǎn)生的振動(dòng)頻率與結(jié)構(gòu)的固有頻率接近時(shí)，結(jié)構(gòu)此時(shí)的振幅達(dá)到最大值，振幅最大波峰處的頻率即可視為結(jié)構(gòu)的固有頻率.從圖4可知，該橋在振幅達(dá)最大值0.25 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率即為該橋的固有頻率8.326 Hz.該橋理論一階頻率為4.822 Hz，自振頻率實(shí)測值均大于理論值，根據(jù)規(guī)范［7］要求，該橋在外界自然因素作用下不會(huì)產(chǎn)生共振，橋梁結(jié)構(gòu)整體動(dòng)剛度處于較好狀態(tài)，有較強(qiáng)的抗沖擊性能，結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性能滿足設(shè)計(jì)要求.

3.2 跑車試驗(yàn)

20 km/h跑車試驗(yàn)采集的動(dòng)撓度時(shí)程曲線見圖5，頻率計(jì)算結(jié)果如圖6所示.

圖5 20 km/h跑車試驗(yàn)動(dòng)撓度時(shí)程曲線

30 km/h跑車試驗(yàn)采集的動(dòng)撓度時(shí)程曲線見圖7，頻率計(jì)算結(jié)果如圖8所示.

根據(jù)沖擊系數(shù)的計(jì)算方法，該橋沖擊系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表2.

圖6 20 km/h跑車試驗(yàn)頻率計(jì)算結(jié)果

圖7 30 km/h跑車試驗(yàn)動(dòng)撓度時(shí)程曲線

圖8 30 km/h跑車試驗(yàn)頻率計(jì)算結(jié)果

表2 跑車試驗(yàn)結(jié)果表

根據(jù)跑車試驗(yàn)采集的動(dòng)撓度時(shí)程曲線圖5、7可知，該橋在364 s時(shí)動(dòng)撓度達(dá)到最大值0.29 mm，此時(shí)車輛運(yùn)行速度為30 km/h.把跑車條件下測點(diǎn)的動(dòng)撓度時(shí)程曲線經(jīng)傅里葉變換，得到該橋在20、30 km/h車速下橋梁頻率在9.2～9.7 Hz之間.該橋理論一階頻率為4.822 Hz，跑車條件下該橋頻率實(shí)測值均大于理論值，表明該橋結(jié)構(gòu)在車輛荷載作用下出現(xiàn)共振的幾率很小.根據(jù)沖擊系數(shù)的計(jì)算方法可得該橋動(dòng)力增大系數(shù)在1.376～1.386之間，沖擊系數(shù)在行車速度為30 km/h時(shí)達(dá)最大值0.386，規(guī)范［7］規(guī)定，該橋沖擊系數(shù)滿足使用要求，表明橋梁自身動(dòng)力特性較好，有較強(qiáng)的抗沖擊性能，車輛動(dòng)荷載對(duì)該橋的動(dòng)態(tài)影響較小.

4 結(jié)論

通過采用動(dòng)力荷載試驗(yàn)法對(duì)山西省某預(yù)應(yīng)力空心板簡支梁大橋進(jìn)行了實(shí)地動(dòng)力荷載檢測試驗(yàn)，把采集的測點(diǎn)時(shí)程曲線等試驗(yàn)數(shù)據(jù)運(yùn)用傅里葉變換分析法進(jìn)行分析，得到該橋豎向一階頻率為8.326 Hz，自振頻率實(shí)測值大于理論值4.822 Hz，表明橋梁結(jié)構(gòu)整體剛度滿足設(shè)計(jì)要求，具有一定的安全儲(chǔ)備;通過工況二、三的跑車試驗(yàn)，得到該橋在跑車條件下的頻率值和沖擊系數(shù)，并分析出該橋在行車速度為30 km/h時(shí)沖擊系數(shù)達(dá)最大值0.386，滿足規(guī)范要求，說明該橋的動(dòng)力特性較好，有較強(qiáng)的抗沖擊性能，為橋梁安全研究提供了一種新的思路.

［1］張英蘭.橋梁動(dòng)載試驗(yàn)的作用與發(fā)展前景［J］.公路，2002(9):32-35.

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