基于動載試驗的某雙曲拱橋動力性能評價

楊志鵬（甘肅林業(yè)職業(yè)技術學院，甘肅 天水 741020）

我國在上世紀末期建造了諸多橋梁，其中一些橋梁由于各種各樣的原因，出現(xiàn)了比較嚴重的損傷及垮塌現(xiàn)象。因此，為了使橋梁能夠安全的運營，需要對橋梁進行必要的檢查及維護[1]。然而，僅僅從橋梁的外觀等方面進行檢測不能很好的掌握橋梁的性能，為了更好的掌握橋梁的受力性能，經(jīng)常用動靜載試驗的方法來評估橋梁的受力性能[2]。

橋梁的動靜載試驗就是預先計算好橋梁的最不利荷載；然后按照最不利位置進行加載，并在橋梁的相應位置處布置應變計、傳感器等裝置收集相關參數(shù)；最后將測量的結(jié)果與計算結(jié)果進行比較，符合規(guī)范要求則為合格。文獻[3-5]就是利用動靜載試驗對各種橋梁進行了力學性能的評估。本文是在現(xiàn)有研究的基礎上，針對加固完成的一座雙曲拱橋進行了動載試驗，掌握橋跨結(jié)構(gòu)的動力性能和動力反應，從而對該橋的加固結(jié)果做出評估。

1 工程概況

某雙曲拱橋為單孔凈跨徑為50m的空腹式雙曲拱橋，橋梁全長74.88m，主拱圈由5肋4波組成，橋面寬度為凈-7+2×0.5m，原設計荷載為汽車-13級，拖車-60級。根據(jù)車輛通行情況，該橋承載力明顯不足，為確保該橋的安全、正常運營，適應交通發(fā)展的需要，對此橋進行了提載加固處理。

加固時采用的設計荷載為公路—II級，依據(jù)提級后設計荷載按照設計規(guī)范對結(jié)構(gòu)進行力學計算，根據(jù)計算結(jié)果對承載力較薄弱的部位進行補強加固，以提高舊橋的承載力。

2 試 驗

2.1 測點布置

根據(jù)動載測試內(nèi)容和大橋的結(jié)構(gòu)形式，主要測試截面為跨中截面、1/4跨和3/4跨。

沖擊系數(shù)、動撓度值測點布置在橋側(cè)1/2截面。測點縱向布置如圖1所示。

圖1 動撓度測點縱向布置圖

動力特性測點布置在橋側(cè)1/4截面、1/2截面和3/4截面，如圖2所示。

圖2 動力特性測點布置圖

2.2 加載方案

動載試驗是利用某種激勵方法激起大橋的振動，測定大橋的自振頻率、動撓度、沖擊系數(shù)等參量，從而宏觀地判斷大橋經(jīng)過加固后的整體剛度與運營性能，對大橋的技術狀況、實際工作狀態(tài)等進行綜合分析和評估。

試驗時，采用300kN試驗車輛分別以速度為5km/h、10km/h、20km/h、30km/h、40km/h的運動狀態(tài)在橋上行駛，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生動態(tài)變形效應，測試橋梁的動力特性參數(shù)，并與計算結(jié)果相比較，從而對橋梁狀態(tài)作出評估。

3 試驗結(jié)果

3.1 有限元模擬

采用空間有限元法建立該橋數(shù)值計算模型，模態(tài)分析計算得到該橋的自振頻率、振型等動力參數(shù)，與加固后實測結(jié)果進行對比。

利用模型進行計算時，考慮原橋墩及原拱圈自身重量、拱上填料和混凝土路面質(zhì)量的影響。其拱圈、橋墩、拱上填料、橋面鋪裝采用梁單元來模擬；基礎約束采用固定約束；欄桿、人行道等采用等效荷載的形式加載到拱圈上。結(jié)構(gòu)的動力特性根據(jù)上述空間有限元模型用子空間迭代法進行計算。材料性能參數(shù)見表1。建立的有限元模型如圖3所示。

表1 材料性能參數(shù)表

圖3 大橋有限元模型三維視圖

表2 大橋加固后自振頻率實測值

3.2 試驗結(jié)果

3.2.1 自振頻率

試驗測得的加固后橋梁的自振頻率如表2所示。

由表2可以看出，大橋加固后的自振頻率的實測值均大于計算值3.67Hz，說明橋梁結(jié)構(gòu)動力剛度滿足要求。

3.2.2 沖擊系數(shù)

對加固后大橋在不同速度行駛下的沖擊系數(shù)與理論值進行比較發(fā)現(xiàn)，車輛速度為40 km/h時測得的大橋沖擊系數(shù)最大為1.103，且大橋加固后的沖擊系數(shù)的實測值小于理論值1.2，說明橋梁結(jié)構(gòu)動力剛度滿足規(guī)范要求。

3.2.3 阻尼比

對加固后大橋在不同速度行駛下的沖擊系數(shù)與規(guī)范值進行比較，如表3所示。

表3 大橋加固后沖擊系數(shù)

由表3可以看出，大橋加固后的阻尼比實測值均小于規(guī)范值，說明橋梁結(jié)構(gòu)動力性能滿足規(guī)范要求。

4 結(jié) 語

隨著使用年限的增長以及使用過程中車輛超載等原因的影響，部分橋梁出現(xiàn)了損傷及垮塌的現(xiàn)象。為了延長橋梁使用壽命，需要對橋梁的使用性能作出評價并采取相應的措施。因此，進行橋梁的使用性能的評價顯得很有必要。

本文就是在這樣的背景下，對加固后的橋梁進行了動力性能的測試。經(jīng)過動載試驗發(fā)現(xiàn)該雙曲拱橋加固后的自振頻率、沖擊系數(shù)和阻尼比等動力性能參數(shù)均符合要求，可為同類雙曲拱橋的動力性能測試提供借鑒。

[1]王曉陽,趙人達.危舊雙曲拱橋的內(nèi)力分析[J].工程設計CAD與智能建筑,2001,(09):59-60.

[2]王文忠.簡支轉(zhuǎn)連續(xù)梁橋成橋動靜載試驗研究[J].長春工程學院學報(自然科學版),2012,13(02):9-11+16.

[3]王大剛.雙曲拱橋加固及靜動載檢測數(shù)值模擬研究[J].工程建設與設計,2016,(06):111-113.

[4]何濤,張巍,吳植安.基于動靜載試驗數(shù)據(jù)的預應力混凝土梁模型修正方法試驗研究[J].公路交通科技,2015,32(12):75-80.

[5]吳永毅.基于動靜載試驗的橋梁狀態(tài)評估初探[D].華南理工大學,2013.