橋梁混凝土力學(xué)性能振動(dòng)效應(yīng)試驗(yàn)評(píng)估

張 煜潘傳銀石雪飛唐壽高

（1.同濟(jì)大學(xué)應(yīng)用力學(xué)研究所，上海200092；2.同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系，上海200092）

橋梁混凝土力學(xué)性能振動(dòng)效應(yīng)試驗(yàn)評(píng)估

張 煜1，*潘傳銀2石雪飛2唐壽高1

（1.同濟(jì)大學(xué)應(yīng)用力學(xué)研究所，上海200092；2.同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系，上海200092）

基于橋梁建造與開放交通加固過程，分別采集施工環(huán)境與行車荷載引起的橋梁振動(dòng)特性，并使用小型振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行模擬，以振動(dòng)時(shí)間、頻率、幅度以及約束條件等為參數(shù)，對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度與彈性模量?jī)蓚€(gè)受力性能進(jìn)行了振動(dòng)效應(yīng)評(píng)估。試驗(yàn)結(jié)果表明：約束條件起控制作用，有效約束下振動(dòng)作用導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)，而缺少約束則相反；橋梁建造過程對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度無明顯影響，而開放交通加固過程則影響顯著；兩種工況下彈性模量振動(dòng)效應(yīng)均不明顯。

橋梁混凝土，施工環(huán)境，行車荷載，力學(xué)性能，振動(dòng)效應(yīng)，試驗(yàn)評(píng)估

1 引 言

橋梁建造過程中，現(xiàn)澆混凝土的凝結(jié)硬化過程受到施工環(huán)境振動(dòng)的持續(xù)作用。隨著服役時(shí)間的推移，既有橋梁面臨維修加固，由于受到開放交通條件的限制，行車荷載對(duì)現(xiàn)澆混凝土的粘結(jié)成型過程也會(huì)造成影響［1］。Manning等［2］通過比尺試驗(yàn)研究了行車荷載對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度及其與鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度的振動(dòng)效應(yīng)，結(jié)果顯示兩者均有所提升。Dunham等［3］以速度峰值和振動(dòng)時(shí)間為控制參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，通過對(duì)混凝土抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)作用造成前者提高而后者降低。張悅?cè)缓蛷堄谰甑龋?，5］借助標(biāo)準(zhǔn)振擊篩模擬振動(dòng)條件，試驗(yàn)結(jié)果表明混凝土凝結(jié)硬化中期抗擾動(dòng)能力最弱，并給出了改善建議。魏建軍等［6］對(duì)初凝與終凝之間混凝土進(jìn)行不同頻率與振幅的振動(dòng)，發(fā)現(xiàn)低頻大幅振動(dòng)會(huì)引起劈裂抗拉強(qiáng)度的下降。葉東升等［7］的研究表明火車振動(dòng)對(duì)現(xiàn)澆構(gòu)件的影響不明顯，并主要體現(xiàn)在濕接頭界面。

上述結(jié)論均與試驗(yàn)中采用的振動(dòng)特性相對(duì)應(yīng)，與橋梁實(shí)際情況仍有一定差距：試驗(yàn)振動(dòng)時(shí)間均在前24 h內(nèi)，區(qū)間跨度較小，振動(dòng)作用持續(xù)時(shí)間不足；振動(dòng)頻率、振幅采用固定參數(shù)，而實(shí)際振動(dòng)頻譜為一個(gè)連續(xù)分布的范圍；沒有區(qū)分模板的約束作用，而這在陸金平等［8］的研究中得到重視，雖然其試驗(yàn)的振動(dòng)特性不適用于橋梁混凝土，但說明了約束條件對(duì)抗壓強(qiáng)度的重要影響。

本文以某主跨為83 m、邊跨為54 m的三跨連續(xù)梁橋?yàn)楸尘?，在?shí)測(cè)施工環(huán)境、成橋行車引起的橋梁振動(dòng)特性基礎(chǔ)上，在試驗(yàn)室使用小型振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行模擬，綜合考慮振動(dòng)時(shí)間、頻率、幅度以及約束條件等參數(shù)，通過測(cè)量混凝土試塊在3 d、7 d和14 d的抗壓強(qiáng)度與彈性模量，對(duì)橋梁建造與開放交通加固過程的振動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行了評(píng)估，明確了不同振動(dòng)特性對(duì)混凝土受力性能的影響。

2 實(shí) 驗(yàn)

試驗(yàn)主要材料為普通自來水、52.5級(jí)普通硅酸鹽早強(qiáng)型水泥、細(xì)度模度2.75中砂和最大粒徑30 mm碎石，相應(yīng)的混凝土配合比為0.42∶1∶1.26∶1.97。除施加振動(dòng)作用外，混凝土的攪拌、成型、養(yǎng)護(hù)及測(cè)試均依照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)［9］執(zhí)行。

如圖1（a）所示，由于該橋橫跨運(yùn)營中鐵路線，列車通行是其環(huán)境振動(dòng)的主要影響因素，通過橋面布置的加速度傳感器（圖1（b））識(shí)別出列車通過引起的橋梁各關(guān)鍵點(diǎn)的典型振動(dòng)特性。經(jīng)過對(duì)比發(fā)現(xiàn)跨中懸臂端的豎向振動(dòng)為控制振動(dòng)，其振動(dòng)時(shí)程圖與頻譜圖如圖2所示，據(jù)此確定建造過程的最不利振動(dòng)特性，同理可得成橋運(yùn)營后典型行車荷載作用下的橋梁振動(dòng)特性以模擬開放交通加固過程，如表1所示。在設(shè)定的頻率與振幅范圍內(nèi)進(jìn)行掃頻振動(dòng)，單次循環(huán)為60 s：低頻高幅振動(dòng)10 s→掃頻過渡振動(dòng)20 s→高頻低幅振動(dòng)10 s→掃頻過渡振動(dòng)20 s。各組試塊振動(dòng)持續(xù)時(shí)間均為24 h，包含1 440個(gè)振動(dòng)循環(huán)，以保證振動(dòng)效應(yīng)的充分發(fā)揮。

由于橋梁混凝土結(jié)構(gòu)尺寸遠(yuǎn)大于試驗(yàn)采用的混凝土試塊，實(shí)際施工中模板對(duì)混凝土的約束作用明顯小于試塊模具的約束作用。為了更接近實(shí)際約束條件，并考慮最不利情況，各試驗(yàn)組除澆筑后前24 h內(nèi)帶模振動(dòng)以外，后續(xù)均脫模振動(dòng)，分別如圖1（c）和圖1（d）所示。

圖1 試驗(yàn)背景與過程Fig.1 Project backgrounds and Experimental studies

圖2 跨中懸臂端豎向振動(dòng)響應(yīng)Fig.2 Vertical vibration responses of the cantilever end in themid-span

總計(jì)進(jìn)行3項(xiàng)振動(dòng)試驗(yàn)：針對(duì)建造過程與開放交通加固過程的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，澆筑90個(gè)100 mm×100 mm×100 mm試塊；針對(duì)開放交通加固過程的彈性模量試驗(yàn)，包含90個(gè)100 mm×100 mm×300 mm試塊。每項(xiàng)試驗(yàn)包含5個(gè)試驗(yàn)組，如表2所示，其中振動(dòng)起止時(shí)間以水灰接觸時(shí)刻為起始點(diǎn)，測(cè)試過程如圖1（e）和圖1（f）所示。以第2組為對(duì)照組，通過比較各振動(dòng)組受力特性的相對(duì)變化，分別評(píng)估建造過程與開放交通加固過程中的橋梁混凝土振動(dòng)效應(yīng)，而第1組僅作為分離養(yǎng)護(hù)條件影響的補(bǔ)充參考。

表1 振動(dòng)特性Table 1 Vibration characteristics

表2 試驗(yàn)配置Table 2 Experimental configurations

3 結(jié)果與評(píng)估

3.1 抗壓強(qiáng)度

建造過程中橋梁混凝土抗壓強(qiáng)度的振動(dòng)效應(yīng)如圖3所示。3 d時(shí)帶模振動(dòng)組有1.7 MPa的小幅提升；兩個(gè)脫模振動(dòng)組無明顯變化。7 d時(shí)帶模振動(dòng)組有4.6 MPa的明顯提升，增幅達(dá)13%；兩個(gè)脫模振動(dòng)組約有1.5 MPa的小幅提升。14 d時(shí)帶模振動(dòng)組增幅回落至1.2 MPa；兩個(gè)脫模振動(dòng)組已回落至低于對(duì)照組，分別有3.3 MPa和1.5 MPa的降低。試驗(yàn)結(jié)果表明：建造過程中，混凝土前7 d的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速度得到提升，但隨后又趨于平緩，最終表現(xiàn)為帶模振動(dòng)提升而脫模振動(dòng)下降，且越早進(jìn)行脫模振動(dòng)，強(qiáng)度損失越大；建造過程振動(dòng)作用相對(duì)較弱，混凝土抗壓強(qiáng)度變化范圍不超過5%，若考慮前24 h帶模振動(dòng)的增強(qiáng)作用，則振動(dòng)效應(yīng)幾乎可以忽略。

開放交通加固過程中橋梁混凝土抗壓強(qiáng)度的振動(dòng)效應(yīng)如圖4所示。3 d時(shí)帶模振動(dòng)組有2.2 MPa的小幅提升；兩個(gè)脫模振動(dòng)組分別有4.7 MPa和4.3 MPa的明顯降低。7 d時(shí)帶模振動(dòng)組提升幅度降至1.5 MPa；兩個(gè)脫模振動(dòng)組降幅分別增至6.3 MPa和5.7 MPa。14 d時(shí)帶模振動(dòng)組提升達(dá)3.2 MPa，增幅為7%；兩個(gè)脫模振動(dòng)組強(qiáng)度損失進(jìn)一步擴(kuò)大至7.8 MPa和6.0 MPa，最終

圖3 建造過程中抗壓強(qiáng)度的振動(dòng)效應(yīng)Fig.3 Vibration effects on the compressive strength in construction process

圖4 開放交通加固過程中抗壓強(qiáng)度的振動(dòng)效應(yīng)Fig.4 Vibration effects on the compressive strength under traffic loads

降幅分別為18%和14%。試驗(yàn)結(jié)果表明：開放交通加固過程中，橋梁混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)速度相對(duì)穩(wěn)定，各組規(guī)律基本一致；由于振動(dòng)作用較強(qiáng)導(dǎo)致振動(dòng)效應(yīng)顯著，即使考慮前24 h帶模振動(dòng)的增強(qiáng)作用，仍分別存在11%和7%的抗壓強(qiáng)度損失。

3.2 彈性模量

開放交通加固過程中橋梁混凝土彈性模量的振動(dòng)效應(yīng)如圖5所示。3 d時(shí)各振動(dòng)組均有不同程度降低，按照降幅從大到小依次為先脫模振動(dòng)組、后脫模振動(dòng)組、帶模振動(dòng)組，但最大降幅不超過7%。7 d時(shí)各振動(dòng)組與對(duì)照組結(jié)果十分接近，差別在2%以內(nèi)。14 d時(shí)帶模振動(dòng)組略有提高，而兩個(gè)脫模振動(dòng)組彈模略有損失，變化范圍為3%。試驗(yàn)結(jié)果表明：開放交通加固過程中，橋梁混凝土彈模相對(duì)變化極小，已無法與混凝土自身的離散性區(qū)別，振動(dòng)效應(yīng)不明顯。由于建造過程的振動(dòng)作用相對(duì)更弱，其對(duì)混凝土彈性模量的影響可以同理推測(cè)，無須贅述。

圖5 開放交通加固過程中彈性模量的振動(dòng)效應(yīng)Fig.5 Vibration effects on the elasticmodule under traffic loads

4 結(jié) 論

通過以上分析可以得到以下結(jié)論：

（1）約束條件對(duì)橋梁混凝土振動(dòng)效應(yīng)起控制作用，混凝土抗壓強(qiáng)度在有效約束時(shí)提高，而在缺少約束時(shí)降低。施工中應(yīng)嚴(yán)格控制模板質(zhì)量并適當(dāng)推遲脫模時(shí)間。

（2）橋梁建造過程中混凝土抗壓強(qiáng)度振動(dòng)效應(yīng)不明顯，而開放交通加固過程中則表現(xiàn)顯著，為保證結(jié)構(gòu)可靠性，建議對(duì)橋梁混凝土進(jìn)行不低于10%的抗壓強(qiáng)度折減。

（3）橋梁建造與開放交通加固過程中混凝土彈性模量的振動(dòng)效應(yīng)均不明顯。

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Experimental Assessment of Vibration Effects on M echanical Properties of Concrete in Bridges

ZHANG Yu1，*PAN Chuanyin2SHIXuefei2TANG Shougao1
（1.Institute of Applied Mechanics，Tongji University，Shanghai200092，China；2.Department of Bridge Engineering，Tongji University，Shanghai200092，China）

In order to simulate construction and strengthening processes，bridge vibration characteristics under construction environment and from traffic loadswere collected.An experimental study was also conducted on a small shaking table.The assessmentwas performed through testing the compressive strength and elasticmodule of concrete specimens subjected to vibrations with different parameters such as time，frequency，amplitude，and constraint condition.Experimental results show that effective constraints improve the compressive strength while not for other cases，which indicates that the predominant influence is the constraint condition.The vibration effects caused by construction are ignorable while those induced by traffic loads are significant.The vibration effects on elastic module are not notable during both processes.

concrete，construction environment，traffic load，mechanical property，vibration effect，experiment assessment

2013－04－23

廣東省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目（201202034）

*聯(lián)系作者，Email：07＿zhangyu＠#edu.cn