正安縣洋渡橋動(dòng)載試驗(yàn)及分析

牛 亮

(貴州大學(xué)土木建筑工程學(xué)院 貴州 貴陽：550025)

0 引言

隨著我國交通建設(shè)的迅速發(fā)展， 交通運(yùn)輸量大幅度提升，橋梁建設(shè)也越來越多，橋梁損傷也越來越大，因此，橋梁結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)作為橋梁檢測的一部分，也得到大力發(fā)展，動(dòng)載試驗(yàn)就是其中一種比較復(fù)雜比較精細(xì)客觀的方法，它基本都是采用跑車、剎車、跳車等試驗(yàn)方法，判斷橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載能力與動(dòng)力特性等是否滿足設(shè)計(jì)要求，并為以后的運(yùn)營養(yǎng)護(hù)工作提供依據(jù)。實(shí)驗(yàn)過程中每個(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)要點(diǎn)都不能疏忽，一點(diǎn)的小疏忽就可能引起承載力和動(dòng)力特性的大偏差，從而造成大事故。作者通過此次橋梁檢測項(xiàng)目，對(duì)動(dòng)載試驗(yàn)技術(shù)要點(diǎn)做了詳細(xì)說明，目的在于使橋梁動(dòng)載試驗(yàn)技術(shù)更為全面，更為科學(xué)。

1 工程概況

洋渡橋位于貴州省遵義市正安縣境內(nèi)，橋型布置為2m×20m預(yù)應(yīng)力空心板+30mT梁+20m預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋，結(jié)構(gòu)簡支，橋面連續(xù)，雙柱式橋墩，橋臺(tái)為U型重力式橋臺(tái)，兩岸橋臺(tái)設(shè)置伸縮縫。設(shè)計(jì)荷載：汽車荷載為公路II級(jí)，人群設(shè)計(jì)荷載為3kN/m2；橋面凈寬：凈7m+2×0.75m。

2 橋梁動(dòng)載試驗(yàn)原理

橋梁動(dòng)載試驗(yàn)是一種利用大型車輛振動(dòng)橋梁的方法，在橋梁結(jié)構(gòu)的震動(dòng)下來測定橋梁的各種動(dòng)力特性以及橋梁結(jié)構(gòu)在振動(dòng)動(dòng)載作用下的強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)，包括動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)位移以及沖擊系數(shù)等，通過這些參數(shù)來判斷橋梁結(jié)構(gòu)的整體性剛度和行車性能情況。

圖1 洋渡橋立面圖(單位：cm)

圖2 洋渡橋T梁橫斷面圖

3 動(dòng)載試驗(yàn)技術(shù)要點(diǎn)

3.1 橋梁試驗(yàn)的作用及主要目的

在新建橋梁的檢測試驗(yàn)中，一般用30-35噸載重車輛由不同車速駛過橋梁，速度由低到高，在行駛過程中，車輛產(chǎn)生的動(dòng)力將產(chǎn)生不同程度的強(qiáng)迫振動(dòng)，在進(jìn)行多次動(dòng)載試驗(yàn)中，當(dāng)某一行駛速度產(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)將產(chǎn)生共振現(xiàn)象，此時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)各個(gè)部位的振動(dòng)相應(yīng)值達(dá)到最大，當(dāng)載重車輛駛離橋跨以后，橋結(jié)構(gòu)將作自由衰減振動(dòng)，此時(shí)，我們可以通過記錄橋梁的波形曲線分析得出橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性參數(shù)等，如：橋梁的動(dòng)態(tài)撓度、振幅、頻露以及沖擊系數(shù)等，通過上述分析，可以對(duì)橋梁的動(dòng)態(tài)特征做出評(píng)價(jià)。

根據(jù)不同的試驗(yàn)?zāi)康模话銟蛄旱膭?dòng)載試驗(yàn)主要解決以下三類問題：

(1)測定橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，如自振頻率、阻尼比、振型等結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)；

(2)測定橋梁結(jié)構(gòu)在動(dòng)荷載作用下的強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)，如橋梁結(jié)構(gòu)的、動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)位移、沖擊系數(shù)等指標(biāo)；

(3)測定荷載的動(dòng)力性能：橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)作用力的大小、方向和作用規(guī)律。本次動(dòng)力荷載試驗(yàn)主要解決的是自振頻率，強(qiáng)振頻率及沖擊系數(shù)。

3.2 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

目前橋梁的動(dòng)載實(shí)驗(yàn)?zāi)壳爸饕蛄耗硵嗝嫔系膭?dòng)應(yīng)變或者某指定點(diǎn)的動(dòng)撓度，還有橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性和動(dòng)力響應(yīng)。本橋梁檢測主要包括以下具體內(nèi)容：

(1)第1跨、第3跨、第4跨脈動(dòng)試驗(yàn)：主要是在橋面無交通荷載以及橋址附近無規(guī)則振源的情況下實(shí)施，通過測定橋跨結(jié)構(gòu)由于橋址處風(fēng)荷載、地脈動(dòng)和水流等隨機(jī)荷載激振而引起的橋跨結(jié)構(gòu)微幅振動(dòng)響應(yīng)，經(jīng)分析確定橋跨結(jié)構(gòu)固有振動(dòng)特性。

(2)第1跨、第3跨剎車試驗(yàn)：采用一輛載重汽車進(jìn)行單車剎車，試驗(yàn)車輛以20km/h的速度通過橋梁的控制截面時(shí)進(jìn)行緊急剎車，測試剎車狀態(tài)下橋梁的振動(dòng)頻率。

(3)第1跨、第3跨跑車測試：采用一輛載重汽車進(jìn)行單車跑車，試驗(yàn)車輛分別采用10km/h、20km/h、30km/h速度通過橋梁的控制截面。

測試方法：

(1)測試系統(tǒng)如圖3所示：

圖3 東華測試系統(tǒng)示意圖

(2)測試方法

將傳感器置于橋面測點(diǎn)上，由其拾取橋梁結(jié)構(gòu)在大地脈動(dòng)作用下的振動(dòng)響應(yīng)。利用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，由筆記本電腦記錄橋跨結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)及動(dòng)應(yīng)變數(shù)據(jù)，使用專用分析軟件處理所測得的數(shù)據(jù)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.3.1 振動(dòng)頻率分析

該橋理論計(jì)算一階豎向振型如圖4所示。根據(jù)理論計(jì)算及脈動(dòng)測試可以得測試跨的固有頻率。

圖4 理論計(jì)算一階振型

洋渡橋各動(dòng)載測試工況下的實(shí)測頻率見表1：

表1 橋梁動(dòng)載實(shí)測頻率成果表(單位：Hz)

洋渡橋第1跨、第4跨的理論計(jì)算一階固有頻率為5.18Hz，第1跨、第4跨的實(shí)測頻率均大于理論計(jì)算頻率；第3跨的的理論計(jì)算一階固有頻率為4.78Hz，第3跨的實(shí)測頻率大于理論計(jì)算頻率；以上頻率測試結(jié)果說明該橋測試跨整體剛度較好。

3.3.2 沖擊系數(shù)分析

活載沖擊系數(shù)可以根據(jù)控制截面測點(diǎn)在跑車試驗(yàn)時(shí)記錄的動(dòng)撓度或動(dòng)應(yīng)變曲線進(jìn)行分析處理而得，計(jì)算公式可按下式(1)和式(2)所示進(jìn)行計(jì)算。

(1)

式中：ymax——?jiǎng)虞d作用下該測點(diǎn)最大應(yīng)變(或撓度)值；ymean——相應(yīng)的靜載作用下該測點(diǎn)最大應(yīng)變值(或撓度)值，其值可由動(dòng)應(yīng)變(或動(dòng)撓度)曲線求得：

(2)

其中：ymax——相應(yīng)的最大應(yīng)變(或撓度)值；ymin——相應(yīng)的最小應(yīng)變(或撓度)值。

洋渡橋第1跨、第3跨跑車工況下的實(shí)測沖擊系數(shù)見表2：

表2 橋梁實(shí)測沖擊系數(shù)成果表

根據(jù)規(guī)范要求，沖擊系數(shù)理論值μ可按下列規(guī)定計(jì)算：

當(dāng)f<1.5Hz時(shí)，μ=0.05

當(dāng)1.5Hz≤f≤4Hz時(shí)，

μ=0.1767 lnf-0.0157

當(dāng)f>14Hz時(shí)，μ=0.45

根據(jù)洋渡橋第1跨實(shí)測基頻(6.93Hz)按上述公式計(jì)算，得到第1跨理論沖擊系數(shù)μ=0.326；根據(jù)洋渡橋第3跨實(shí)測基頻(5.27Hz)按上述公式計(jì)算，得到第3跨理論沖擊系數(shù)μ=0.278。實(shí)測沖擊系數(shù)均小于理論計(jì)算沖擊系數(shù)。

以下給出各測試工況的實(shí)測動(dòng)應(yīng)變時(shí)程曲線，詳見圖5～7。

圖5 第3跨10km/h跑車實(shí)測動(dòng)應(yīng)變曲線

圖6 第3跨20km/h跑車實(shí)測動(dòng)應(yīng)變曲線

圖7 第3跨30km/h跑車實(shí)測動(dòng)應(yīng)變曲線

3.4 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)論

通過對(duì)洋渡橋的動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果分析，得到如下結(jié)論：

(1)該橋在通行時(shí)速30km/h的試驗(yàn)車輛時(shí)實(shí)測動(dòng)力系數(shù)達(dá)到最大，最大動(dòng)力系數(shù)值第一跨為0.326，第三跨為0.278，《滿足大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法》中的規(guī)定。

(2)根據(jù)脈動(dòng)、跳車、剎車試驗(yàn)的測試數(shù)據(jù)，獲得該橋第1、3跨的自振、強(qiáng)迫振動(dòng)頻率、沖擊系數(shù)。該橋各工況實(shí)測頻率值均大于理論計(jì)算值，表明該橋的整體實(shí)際剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

4 討論與建議

橋梁動(dòng)載試驗(yàn)在試驗(yàn)過程中還是存在一些局限性，有待進(jìn)一步解決。

(1)橋梁是由多種材料，各種不同結(jié)構(gòu)組合而成的一個(gè)大型的綜合結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的各個(gè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)、動(dòng)力特性、剛度等相差很大，籠統(tǒng)的用一些單一的動(dòng)力特性指標(biāo)去評(píng)估整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，筆者覺得是難以達(dá)到預(yù)期效果的。

(2)測量設(shè)備不完善和測量精度不足。運(yùn)用電子計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代化儀器設(shè)備，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析，可以提高試驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)性與可靠性。

(3)環(huán)境等因素對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性影響較大。在測試記錄過程中，動(dòng)載試驗(yàn)的影響因素比較多，必需注意在不同工況中抓住主要測試內(nèi)容，如在記錄結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的完整性時(shí)，重點(diǎn)是記錄信號(hào)的完整性，要能圖一時(shí)方便，隨意縮短試驗(yàn)過程與時(shí)間等。

(4)車輛的控制，要協(xié)助駕駛員控制好車輛再橋上跑車、跳車及剎車的位置、速度和時(shí)間。

(5)儀器的調(diào)試，使用動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀時(shí)，應(yīng)根據(jù)估計(jì)應(yīng)變的大小確定增益、標(biāo)定值范圍等，調(diào)整記錄速度和記錄幅度。

(6)在整個(gè)動(dòng)載試驗(yàn)進(jìn)行階段，應(yīng)編制好組織程序，如人員的分組，組與組之間的配合等，這樣整個(gè)試驗(yàn)的進(jìn)行就會(huì)顯得更加有效率，更加科學(xué)。

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