高速公路跨線橋預(yù)應(yīng)力混凝土T 梁動(dòng)載試驗(yàn)研究

陸 蓉

(武漢輕工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北武漢 430023)

0 引言

在公路橋梁運(yùn)營(yíng)和維修養(yǎng)護(hù)的過(guò)程中，密切關(guān)注車(chē)輛荷載或其他的動(dòng)力荷載對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的沖擊和振動(dòng)影響，從宏觀上來(lái)判斷橋梁結(jié)構(gòu)的整體剛度和運(yùn)營(yíng)性能是非常必要的。橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)問(wèn)題一般采用理論分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法［1］。橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)載試驗(yàn)是利用跑車(chē)、跳車(chē)、剎車(chē)等激振方法激起橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，然后測(cè)定其固有頻率、阻尼比、振幅、沖擊系數(shù)等參數(shù)，從而判斷橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)狀況和整體動(dòng)力性能，對(duì)橋梁承載能力做出評(píng)定。

1 工程概況

武荊高速跨漢丹鐵路特大橋橋梁全長(zhǎng)1 296.08 m，大橋上部構(gòu)造:左幅采用18×30+(2×30+50+2×30)+40+18×30預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù);右幅采用17×30+40+(2×30+50+2×30)+19×30預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)。下部構(gòu)造:雙柱式墩、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，承臺(tái)分離式橋臺(tái)、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

本次試驗(yàn)對(duì)象為該橋左幅40 m(簡(jiǎn)支)+3×30 m(連續(xù))和右幅3×30 m(連續(xù))+40 m(簡(jiǎn)支)預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，本次試驗(yàn)選取的試驗(yàn)跨及右幅16，17和18跨進(jìn)行了橋梁荷載試驗(yàn)，以檢驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際承載能力和工作性能是否滿足設(shè)計(jì)及使用要求。由于篇幅所限，本文只選取左幅24，25和26跨的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 動(dòng)載試驗(yàn)內(nèi)容

本橋動(dòng)載試驗(yàn)［2］，包括脈動(dòng)試驗(yàn)和強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)兩部分。主要測(cè)試橋梁結(jié)構(gòu)的自振頻率、結(jié)構(gòu)阻尼等自振特性，跨中最大豎向振幅、沖擊系數(shù)等行車(chē)響應(yīng)參數(shù)。本次橋梁動(dòng)載試驗(yàn)荷載采用一輛350 kN雙后軸載重汽車(chē)施加。

2.1 脈動(dòng)試驗(yàn)

脈動(dòng)試驗(yàn)是通過(guò)在橋上布置高靈敏度的拾振器，長(zhǎng)時(shí)間記錄結(jié)構(gòu)在環(huán)境激勵(lì)如風(fēng)、水流、地模態(tài)等引起的振動(dòng)，然后進(jìn)行頻譜分析，求出結(jié)構(gòu)自振特性的一種方法。對(duì)環(huán)境激勵(lì)下橋梁的響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行多次功率譜的平均分析，并利用各個(gè)測(cè)點(diǎn)的幅值和相位關(guān)系，可得到橋梁的各階自振頻率和振型值，利用半功率帶寬法確定各階模態(tài)阻尼比，從而獲得橋梁的自振特性，并將實(shí)測(cè)值與計(jì)算值或規(guī)范值進(jìn)行比較和分析，對(duì)橋梁的動(dòng)力特性進(jìn)行評(píng)估［3］。本次橋梁脈動(dòng)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1。

圖1 左脈動(dòng)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置圖

2.2 強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)

強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)是利用試驗(yàn)車(chē)輛在橋上跑車(chē)、跳車(chē)和剎車(chē)，對(duì)橋梁施以動(dòng)力荷載，測(cè)量橋梁特征位置的強(qiáng)迫振動(dòng)時(shí)程曲線、動(dòng)應(yīng)變等，對(duì)測(cè)得的橋梁動(dòng)力響應(yīng)值進(jìn)行分析，獲得橋梁的動(dòng)力響應(yīng)特性及舒適度指標(biāo)，并對(duì)它們進(jìn)行評(píng)估。強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2。

2.2.1 跑車(chē)試驗(yàn)

圖2 左強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置圖

跑車(chē)試驗(yàn)采用一輛350 kN雙后軸載重汽車(chē)以10 km/h～60 km/h的車(chē)速勻速駛過(guò)試驗(yàn)橋跨，測(cè)量梁體各測(cè)點(diǎn)振幅、沖擊系數(shù)和強(qiáng)迫振動(dòng)頻率［4］。試驗(yàn)時(shí)，每10 km/h為一級(jí)，每個(gè)速度重復(fù)一次。

2.2.2 跳車(chē)試驗(yàn)

跳車(chē)試驗(yàn)［4-6］是模擬汽車(chē)越過(guò)障礙物試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)，在橋梁試驗(yàn)跨跨中截面位置放置10 cm高的三角墊木，讓一輛350 kN載重汽車(chē)的前輪在試驗(yàn)橋跨跨中截面位置以15 km/h跳車(chē)，測(cè)量梁體各測(cè)點(diǎn)的振幅和梁體在豎向沖擊荷載下的強(qiáng)迫振動(dòng)頻率、阻尼比。

2.2.3 剎車(chē)試驗(yàn)

剎車(chē)試驗(yàn)采用一輛350 kN雙后軸載重汽車(chē)，以15 km/h車(chē)速行駛至試驗(yàn)橋跨跨中截面位置剎車(chē)，測(cè)量梁體各測(cè)點(diǎn)振幅和梁體在順橋向沖擊荷載下的強(qiáng)迫振動(dòng)頻率等。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 脈動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果及分析

脈動(dòng)試驗(yàn)測(cè)得漢丹鐵路特大橋40 m+3×30 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁(左幅)40 m跨豎向一階頻率實(shí)測(cè)值為3.52 Hz，其理論值為2.93 Hz;3×30 m邊跨豎向一階頻率實(shí)測(cè)值為4.50 Hz，其理論值為3.67 Hz，實(shí)測(cè)值大于理論值，表明橋梁豎向剛度滿足設(shè)計(jì)要求。圖3為脈動(dòng)試驗(yàn)跨中豎向測(cè)點(diǎn)頻譜圖。

圖3 脈動(dòng)試驗(yàn)跨中豎向測(cè)點(diǎn)頻譜圖（1-2：40 m跨跨中豎向；1-6：30 m跨跨中豎向）

3.2 強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.2.1 跑車(chē)試驗(yàn)

讓試驗(yàn)車(chē)輛以10 km/h，20 km/h，30 km/h，40 km/h，50 km/h，60 km/h的速度勻速行駛通過(guò)橋梁，測(cè)試試驗(yàn)跨跨中豎向的動(dòng)力響應(yīng)和沖擊系數(shù)。其中沖擊系數(shù)為動(dòng)撓度與靜撓度的比值。由于撓度反映了橋跨結(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。它與結(jié)構(gòu)的型式、車(chē)輛運(yùn)行速度和橋面的平整度等有關(guān)。

表1 跑車(chē)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

圖4 50 km/h跑車(chē)跨中豎向動(dòng)撓度時(shí)程曲線圖（1-4：40 m跨中豎向；1-5：30 m跨中豎向）

圖5 50 km/h跑車(chē)跨中豎向測(cè)點(diǎn)振動(dòng)時(shí)程曲線圖（1-1：40 m跨中豎向；1-2：30 m跨中豎向）

圖6 左幅40 m跨跳車(chē)試驗(yàn)跨中豎向測(cè)點(diǎn)振動(dòng)及動(dòng)撓度時(shí)程曲線圖（1-1：40 m跨跨中豎向振動(dòng)；1-4：40 m跨跨中豎向動(dòng)撓度）

具體測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。其中沖擊系數(shù)μ的取值為:

當(dāng) f＜1.5 Hz時(shí)，μ=0.15;

當(dāng)1.5 Hz＜f＜14 Hz時(shí)，μ=0.176 7lnf-0.015 7;

當(dāng) f＞14 Hz時(shí)，μ=0.45。

其中，f為振動(dòng)頻率。

由脈動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果可知40 m跨f1=3.52 Hz，計(jì)算出沖擊系數(shù)μ1=0.207;30 m 跨 f2=4.50 Hz，同理得 μ2=0.250。

由表1可知左幅40 m跨跨中最大沖擊系數(shù)為0.688，對(duì)應(yīng)振幅為1.90 mm，對(duì)應(yīng)車(chē)速為60 km/h;左幅30 m跨跨中最大沖擊系數(shù)為0.257，對(duì)應(yīng)振幅為0.45 mm，對(duì)應(yīng)車(chē)速為50 km/h。圖4為50 km/h跑車(chē)試驗(yàn)跨中豎向測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的動(dòng)撓度時(shí)程曲線圖，圖5為50 km/h跑車(chē)試驗(yàn)跨中豎向測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的振動(dòng)時(shí)程曲線圖。由跑車(chē)試驗(yàn)可知，40 m跨實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)大于理論計(jì)算值，營(yíng)運(yùn)中應(yīng)注意保持橋面平整，并加強(qiáng)對(duì)梁體的檢查。

圖7 左幅30 m跨跳車(chē)試驗(yàn)跨中豎向測(cè)點(diǎn)振動(dòng)及動(dòng)撓度時(shí)程曲線圖（1-2：30 m跨跨中豎向振動(dòng)；1-5：30 m跨跨中豎向動(dòng)撓度）

圖8 左幅40 m跨剎車(chē)試驗(yàn)跨中豎向測(cè)點(diǎn)振動(dòng)及動(dòng)撓度時(shí)程曲線圖（1-1：40 m跨跨中豎向振動(dòng)；1-4：40 m跨跨中豎向動(dòng)撓度）

3.2.2 跳車(chē)試驗(yàn)

跨中跳車(chē)試驗(yàn)，圖6為40 m跨跳車(chē)試驗(yàn)跨中豎向測(cè)點(diǎn)振動(dòng)及動(dòng)撓度時(shí)程曲線圖，測(cè)得左幅40 m跨跨中豎向最大振幅為1.51 mm，對(duì)應(yīng)沖擊系數(shù)為 0.553，豎向振動(dòng)頻率為 3.05 Hz，阻尼比為0.061 3;左幅30 m跨跨中豎向最大振幅為0.67 mm，對(duì)應(yīng)沖擊系數(shù)為 0.362，豎向振動(dòng)頻率為 3.63 Hz，阻尼比為 0.021 6。圖7為30 m跨跳車(chē)試驗(yàn)跨中豎向測(cè)點(diǎn)振動(dòng)及動(dòng)撓度時(shí)程曲線圖。

圖9 左幅30 m跨剎車(chē)試驗(yàn)跨中豎向測(cè)點(diǎn)振動(dòng)及動(dòng)撓度時(shí)程曲線圖（1-2：30 m跨跨中豎向振動(dòng)；1-5：30 m跨跨中豎向動(dòng)撓度）

3.2.3 剎車(chē)試驗(yàn)

剎車(chē)試驗(yàn)時(shí)汽車(chē)以15 km/h車(chē)速行駛至跨中剎車(chē)，圖8，圖9分別為40 m跨、30 m跨剎車(chē)試驗(yàn)時(shí)跨中豎向測(cè)點(diǎn)振動(dòng)及動(dòng)撓度時(shí)程曲線圖。測(cè)得左幅40 m跨跨中豎向最大振幅為0.73 mm，對(duì)應(yīng)沖擊系數(shù)為0.256，豎向振動(dòng)頻率為3.51 Hz;而30 m跨跨中豎向最大振幅為0.49 mm，對(duì)應(yīng)沖擊系數(shù)為0.257，豎向振動(dòng)頻率為3.36 Hz。

4 結(jié)語(yǔ)

武荊高速跨漢丹鐵路特大橋左幅橋40 m+3×30 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁(左幅)40 m跨豎向一階頻率實(shí)測(cè)值大于理論值，表明橋梁豎向剛度滿足設(shè)計(jì)要求。由動(dòng)載試驗(yàn)可知，重載高速跑車(chē)、跳車(chē)及緊急剎車(chē)對(duì)試驗(yàn)梁體產(chǎn)生的沖擊影響較大。運(yùn)營(yíng)過(guò)程中應(yīng)注意保持橋面平整，以減小荷載動(dòng)力沖擊的影響，并加強(qiáng)對(duì)梁體的養(yǎng)護(hù)排查。

［1］馬偉斌，韓自力，朱忠林.高速鐵路路橋過(guò)渡段振動(dòng)特性試驗(yàn)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2009(1):124-128.

［2］黃 僑，李忠龍，吳紅林.哈爾濱四方臺(tái)斜拉橋成橋靜動(dòng)載試驗(yàn)研究［J］.橋梁建設(shè)，2006(1):16-18.

［3］宋一凡.公路橋梁荷載試驗(yàn)與結(jié)構(gòu)評(píng)定［M］.北京:人民交通出版社，2002.

［4］李榮均.橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)及其承載力評(píng)定［D］.北京:北方工業(yè)大學(xué)，2004.

［5］諶潤(rùn)水，胡釗芳.公路橋梁荷載試驗(yàn)［M］.北京:人民交通出版社，2002.

［6］李曉斌，夏招廣，蒲黔輝.安慶長(zhǎng)江公路大橋靜動(dòng)載試驗(yàn)研究［J］.公路交通科技，2007(2):73-76.