某鋼筋混凝土舊橋動載試驗分析

鄭彬雙 李新寧

(1.東北林業(yè)大學土木工程學院,黑龍江 哈爾濱 150040； 2.煙臺大學,山東 煙臺 264000)

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某鋼筋混凝土舊橋動載試驗分析

鄭彬雙1李新寧2

(1.東北林業(yè)大學土木工程學院,黑龍江 哈爾濱 150040； 2.煙臺大學,山東 煙臺 264000)

以某鋼筋混凝土舊橋為工程背景，通過動力荷載試驗，從頻率、阻尼比、振型等方面，測試主梁在各級試驗荷載作用下結(jié)構(gòu)的動力特性，并將試驗結(jié)果與理論計算值進行對比，評估了該橋結(jié)構(gòu)的工作性能和承載能力。

鋼筋混凝土舊橋，動荷載試驗，動力特性，頻率，阻尼比

1 動力荷載試驗

橋梁動力荷載試驗是通過測試動力性因素來對其整體剛度、行車性能進行評判。所采取的現(xiàn)場方法就是借助某一種激振方法激起結(jié)構(gòu)發(fā)生振動，然后通過對其固有頻率、阻尼比、振型、動力沖擊系數(shù)、行車響應等參量的測定，從而進一步判定結(jié)構(gòu)的動力特性進行橋梁運營狀況和承載能力的評估[1]?，F(xiàn)場進行跑車、跳車、脈動等荷載試驗是實際工程中經(jīng)常采用的三種動力荷載測試試驗方式。

目前，關(guān)于在役橋梁動力特性的研究國內(nèi)外已經(jīng)有很多可供參考的文獻，如楊勇等[2]通過對某在役多跨PC連續(xù)梁橋的荷載試驗對其承載力進行了綜合評估和鑒定；魏瑞芬[3]針對橋梁荷載試驗在舊橋加固中應用,結(jié)合某舊簡支T梁橋為具體的工程實例為橋梁養(yǎng)護部門在橋梁加固方面提供科學的依據(jù)。本文以某鋼筋混凝土舊橋為工程背景進行動載試驗，科學地評估該橋結(jié)構(gòu)的工作性能和承載能力。

2 工程概況

某鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)舊橋，橋面為凈7 m+2×0.75 m人行道，上部結(jié)構(gòu)形式為5跨鋼筋混凝土簡支梁橋。該橋全長為83 m，跨徑布置為5×16 m，橋梁計算跨徑15.5 m。上部結(jié)構(gòu)為工字梁與微彎板組合簡支梁橋，橫橋向由5片鋼筋混凝土工字梁組成，各工字梁中距1.70 m，工字梁梁高0.8 m，工字梁下翼緣寬0.3 m，上翼緣寬0.3 m，腹板厚0.16 m；在橫橋向，主梁通過橫隔板連接，每孔設置4片橫隔梁；工字梁頂擱置微彎板，微彎板拱矢度1/13，凈矢高為0.1 m；支座均采用弧形鋼支座，每片梁端設置一個鋼支座，全橋共計50個；橋面鋪裝按8 cm考慮，每側(cè)欄桿及人行道構(gòu)件自重按照5 kN/m考慮，全橋側(cè)立面圖見圖1。

由于原設計圖紙已不復存在，本次檢算主要根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查并參考同時代公路橋涵設計標準圖(編號JT/GQS001—73)按照《04規(guī)范》進行檢算，根據(jù)該橋現(xiàn)階段實際交通組成，本次檢算荷載采用《04規(guī)范》公路—Ⅱ級汽車荷載，現(xiàn)場實測混凝土回彈值為23.7 MPa～26.7 MPa，并結(jié)合主梁的混凝土實際標號，可以等換算成《04規(guī)范》中的23號混凝土；所以驗算過程中，主梁混凝土強度設計值采用新規(guī)范的23號混凝土，而梁內(nèi)主筋鋼筋采用Ⅱ級鋼筋，相當于新橋規(guī)的HRB335。

該橋動載試驗選取一輛總重為29.68 t的汽車作為動力施加荷載，用于跑車、跳車試驗。動載試驗過程中，試驗數(shù)據(jù)采集儀器采用速度拾振器和動態(tài)位移撓度儀，為保證測試結(jié)果準確性，測試儀器需放置在不同試驗梁位。采用DH5937系統(tǒng)作為采集、分析動態(tài)應變測試分析系統(tǒng)。

3 試驗孔選擇和測點布置

根據(jù)該橋整體結(jié)構(gòu)特點和主梁裂縫產(chǎn)生情況，選定第3孔為本次試驗孔，動載試驗控制斷面則選擇為該橋第3孔的跨中斷面。

豎向振動特性：根據(jù)現(xiàn)場實際情況，在試驗孔跨中斷面上游一側(cè)的人行道內(nèi)緣10 cm位置，布置一個豎向速度計測點；在試驗孔跨中斷面1號、3號主梁的梁底邊緣各布置一個動撓度測點，動撓度試驗位置布置情況如圖2所示。

4 試驗數(shù)據(jù)分析

4.1 結(jié)構(gòu)自振頻率分析

在動荷載跑車試驗結(jié)束車輛離開橋跨結(jié)構(gòu)時，結(jié)構(gòu)本身也不會馬上恢復至原有平衡狀態(tài)而是保持繼續(xù)自振，主要原因是由于慣性作用；同樣能引發(fā)自振的是在進行沖擊荷載試驗時，可以通過突然施加沖擊荷載的方式進而激發(fā)構(gòu)件自由振動[3]。不論采取以上哪種激振方式，結(jié)構(gòu)都會在一段時間內(nèi)自行恢復到穩(wěn)定狀態(tài)回到平衡位置，這是因為由于阻尼作用的存在，使得振動能量隨時間的增加而逐漸衰減[4]。

速度傳感器可以測量記錄在沖擊荷載作用下結(jié)構(gòu)自由衰減振動隨時間變化的曲線，因而可以在試驗孔橋面適當位置布置測點采集試驗數(shù)據(jù)，并進行頻譜分析，獲得自振頻率f0=5.68 Hz，如圖3所示。

不考慮橋面鋪裝作用的影響，通過理論計算得到主梁結(jié)構(gòu)的自振頻f0=6.67 Hz，而通過試驗點實測數(shù)據(jù)結(jié)果略小于理論值，說明橋跨主梁的整體性較差。

4.2 結(jié)構(gòu)阻尼特性分析

結(jié)構(gòu)的阻尼特性分析是利用橋面上放置的速度拾振器與加速度拾振器測得橋梁結(jié)構(gòu)在跑車荷載作用下自由衰減振動而生成的時間歷程曲線，通過對其進行時域分析后，根據(jù)實測曲線計算結(jié)構(gòu)的阻尼比為0.037。根據(jù)范立礎《橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動》，橋梁結(jié)構(gòu)的常見阻尼比一般在0.01～0.10之間，可見本橋的阻尼比介于常見阻尼比之間，說明結(jié)構(gòu)具有較合理的阻尼比。典型跨中截面跳車速度—時程歷程曲線見圖4。

4.3 結(jié)構(gòu)沖擊系數(shù)分析

試驗汽車荷載分別采用不同車速作用于橋跨結(jié)構(gòu)，取得各車速下測試截面的沖擊系數(shù)如表1所示，跑車位移—時程曲線如圖5所示。而按JTG D60—2004公路橋涵設計通用規(guī)范理論計算的沖擊系數(shù)為1+μ=1.34，以上結(jié)果表明實測沖擊系數(shù)與理論值相比較大，導致這一現(xiàn)象的主要原因是橋面鋪裝破損，結(jié)構(gòu)表面不平整所致。

4.4 橋梁結(jié)構(gòu)性能評定

表1 沖擊系數(shù)1+μ匯總數(shù)據(jù)表

1)自振頻率。

在沖擊荷載作用下，不考慮橋面鋪裝作用的影響，主梁結(jié)構(gòu)實測自振頻率f0=5.68 Hz，通過理論計算得到的自振頻率f0=6.67 Hz，實際測量數(shù)據(jù)結(jié)果略小于理論值，說明橋跨主梁的整體性較差。

2)阻尼比。

實際觀測得到主梁結(jié)構(gòu)的阻尼比為0.037，依據(jù)《橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動》闡述，橋梁結(jié)構(gòu)的常見阻尼比一般在0.01～0.10之間，可見本橋結(jié)構(gòu)的阻尼比過小，對減少結(jié)構(gòu)振動會產(chǎn)生不利影響。

3)沖擊系數(shù)。

通過對比實測沖擊系數(shù)可知，實際的沖擊系數(shù)隨外界給予橋梁能量的增加而增大且本橋沖擊系數(shù)較大，其最大值1.36超過理論計算值1.34。這表明在不同車速下有較大振動，導致這一現(xiàn)象的主要原因是橋面鋪裝破損，結(jié)構(gòu)表面不平整。

5 結(jié)語

依據(jù)理論分析結(jié)果并考慮橋梁整體特點，設計了某鋼筋混凝土舊橋的動力荷載試驗方案。依據(jù)制定的試驗方案對該橋進行了動力荷載試驗檢測，并依據(jù)識別的動力參數(shù)對三通橋進行了使用狀態(tài)評價，為類似橋梁的動力荷載試驗提供了一定的參考。

[1] 馬 超,孫 韋.評述橋梁荷載試驗的步驟及要點[J].公路交通科技(應用技術(shù)版),2013(7):31-33.

[2] 楊 勇,張俊平,李永河,等.某多跨PC連續(xù)梁橋靜動載試驗分析[J].廣州大學學報(自然科學版),2012(1):58-63.

[3] 魏瑞芬.橋梁荷載試驗在舊橋加固中的應用研究[J].公路交通科技(應用技術(shù)版),2015(8):8-10.

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[5] 趙 雷.橋梁自振頻率測試在橋梁荷載試驗中的應用[J].公路交通科技(應用技術(shù)版),2013(11):338-339.

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[7] 李鵬飛,楊 溢,劉 磊,等.某高速公路工程30 m預制小箱梁靜載試驗分析[J].公路工程,2014(2):242-245.

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Analysis on the dynamic load test of an old reinforced concrete bridge

Zheng Binshuang1Li Xinning2

(1.CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China; 2.YantaiUniversity,Yantai264000,China)

Taking an old reinforced concrete bridge as the engineering background, to carried out the dynamic loading tests for testing the dynamic characteristics of the main girder structure such as frequency, damping ratio and mode shapes under various test load. Comparing the test results and the theoretical calculation value to assess the performance and carrying capacity of the bridge structure.

reinforced concrete bridge, dynamic load test, dynamic characteristics, frequency, damping ratio

1009-6825(2016)27-0148-02

2016-07-05

鄭彬雙(1990- )，女，在讀碩士； 李新寧(1993- )，男，在讀本科生

U441.2

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