動荷載試驗(yàn)在簡支梁橋檢測中的應(yīng)用分析

楊 陸 軍

(山西省左權(quán)公路管理段,山西 左權(quán) 032600)

橋梁結(jié)構(gòu)是公路交通運(yùn)輸系統(tǒng)的重要構(gòu)成部分，橋梁承載能力及結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制是交通運(yùn)輸線路的控制關(guān)鍵。為了保證橋梁結(jié)構(gòu)的長期、安全服役，必須對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行定期的荷載檢測，動荷載試驗(yàn)檢測可以準(zhǔn)確獲取橋梁結(jié)構(gòu)在動荷載作用條件下的相關(guān)動力學(xué)特性，以判定橋梁結(jié)構(gòu)的綜合承載能力、剛度及行車平順性。簡而言之，動荷載試驗(yàn)檢測技術(shù)就是借助外部動荷載激振方法，引起橋梁結(jié)構(gòu)以不同頻率自振，獲取對應(yīng)的動力學(xué)參數(shù)。文章以省內(nèi)某預(yù)應(yīng)力簡支梁橋動荷載試驗(yàn)為研究案例，分析了橋梁動荷載試驗(yàn)及動力學(xué)特性計(jì)算方法，并對該橋梁結(jié)構(gòu)在動荷載條件下的服役能力進(jìn)行綜合評價(jià)。

1 預(yù)應(yīng)力簡支梁橋動荷載試驗(yàn)簡述

預(yù)應(yīng)力簡支梁橋的動荷載試驗(yàn)可以使用分析橋梁結(jié)構(gòu)動荷載特性及在動荷載激振作用下的抵抗突變荷載的能力。橋梁結(jié)構(gòu)動荷載試驗(yàn)結(jié)果一方面可以評價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)的即時(shí)承載能力；另一方面還能為橋梁結(jié)構(gòu)的后續(xù)服役提供基礎(chǔ)分析數(shù)據(jù)。本文選取的試驗(yàn)橋梁采用一臺自重為30 t的載重車，并以10 km/h的速度通過橋梁主跨，跳車試驗(yàn)在常規(guī)動荷載的工況下配合高度為100 mm的三角木，使載重車對橋面形成沖擊作用，車輛制動荷載同樣選取荷載為30 t的載重車在主跨跨中位置制動。其中，橋梁結(jié)構(gòu)的自振頻率和振動形式的綜合分析是評價(jià)橋梁主跨結(jié)構(gòu)剛度及承載能力的核心指標(biāo)，自振頻率及結(jié)構(gòu)阻尼比測定借助脈沖激勵(lì)法。橋面的傳感器布設(shè)位置及主梁結(jié)構(gòu)跨中豎向撓度測點(diǎn)布置分別如圖1,圖2所示。

2 預(yù)應(yīng)力簡支梁橋動荷載試驗(yàn)檢測指標(biāo)分析

2.1 橋面行車試驗(yàn)檢測

在本次動荷載試驗(yàn)檢測過程中，擬測定的橋梁結(jié)構(gòu)性能參數(shù)及指標(biāo)有：激振荷載下的豎向振動響應(yīng)值、阻尼比、跨中撓度值及沖擊系數(shù)指標(biāo)等。簡支梁在豎向激振荷載作用下的豎向振動響應(yīng)結(jié)果如表1所示。

表1 簡支梁在豎向激振荷載作用下的豎向振動響應(yīng)結(jié)果

分析表1可知，簡支梁橋的豎向激振荷載響應(yīng)單峰值介于0.012～0.035范圍內(nèi)，根據(jù)規(guī)范可知，激振荷載條件下的響應(yīng)值位于合理范圍內(nèi)；此外，分析兩個(gè)觀測點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)可知，由于試驗(yàn)檢測車輛運(yùn)行路徑的差異，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的豎向振幅指標(biāo)具有明顯的離散性特點(diǎn)，但是，二者的變化趨勢基本一致。

2.2 主梁結(jié)構(gòu)自振頻率檢測

結(jié)構(gòu)自振頻率代表結(jié)構(gòu)自由振動條件下的頻率值。橋梁結(jié)構(gòu)的豎向自振頻率指標(biāo)的理論計(jì)算值可以通過查閱設(shè)計(jì)資料獲取，根據(jù)簡支梁主跨跨徑及截面形式，其對應(yīng)的自振頻率值為4.6 Hz，在試驗(yàn)檢測過程中，采集到的主跨結(jié)構(gòu)的自振頻率值為5.1 Hz，試驗(yàn)值稍大于理論計(jì)算值，表明橋梁結(jié)構(gòu)真實(shí)的截面抗彎剛度指標(biāo)大于理論計(jì)算值，結(jié)構(gòu)在激勵(lì)荷載作用下的受迫振動幅度較小，行車平順性及舒適性較高。在理論計(jì)算過程中，為了最大程度簡化計(jì)算流程，一般直接忽略次要因素，例如，在主梁動荷載試驗(yàn)檢測過程中的風(fēng)荷載、溫差等影響因素，但在具體試驗(yàn)檢測過程中，上述因素真實(shí)存在，這也是導(dǎo)致二者之間存在誤差的一大原因。

2.3 主梁結(jié)構(gòu)沖擊系數(shù)檢測

車輛以一定的速率通過主跨結(jié)構(gòu)時(shí)，經(jīng)工程試驗(yàn)結(jié)果可知，橋梁結(jié)構(gòu)在動荷載作用下產(chǎn)生的應(yīng)力—應(yīng)變響應(yīng)值要顯著大于靜荷載作用下的響應(yīng)值，在具體設(shè)計(jì)及計(jì)算過程中，可以借助沖擊系數(shù)可以表示結(jié)構(gòu)在沖擊作用下的主梁結(jié)構(gòu)影響情況。本文對擬檢測的簡支梁結(jié)構(gòu)施加兩種不同類型的荷載工況，即：行車工況和跳車工況，以分析兩種典型動荷載條件下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)特點(diǎn)。行車工況下，結(jié)構(gòu)沖擊系數(shù)指標(biāo)呈先增加后降低的趨勢，但沖擊系數(shù)變化幅度較小，總體集中。在行車速率為20 km/h條件下，對應(yīng)的沖擊系數(shù)指標(biāo)為1.16，行車速率為30 km/h條件下，對應(yīng)的沖擊系數(shù)指標(biāo)為1.25，對應(yīng)的沖擊系數(shù)值達(dá)到峰值，隨后逐步下降。在跳車情況下，沖擊系數(shù)指標(biāo)變化趨勢與行車條件下的沖擊系數(shù)一致，但跳車情況下的沖擊系數(shù)在對應(yīng)的各跳車速度下均顯著高于行車狀態(tài)。充分說明，橋面車輛以不同速度通過橋梁主跨結(jié)構(gòu)時(shí)，速度對橋梁結(jié)構(gòu)的沖擊系數(shù)影響非常顯著，車輛在低速運(yùn)行情況下，跳車工況下的沖擊系數(shù)指標(biāo)明顯大于行車工況條件下的沖擊系數(shù)指標(biāo)，但是，兩種工況條件下對應(yīng)的沖擊系數(shù)變化形式基本一致。圖3為本工程項(xiàng)目在動荷載條件下對應(yīng)的沖擊系數(shù)。

2.4 主梁跨中撓度檢測

采用位移傳感器測定動荷載條件下的簡支梁跨中位置的撓度值，采集到的行車工況、跳車工況條件下的跨中撓度值見表2。

表2 跨中撓度值

分析表2數(shù)據(jù)可知，在行車工況下，跨中撓度值隨行車速率的增加而呈現(xiàn)出逐步下將的趨勢，在行車速率達(dá)到一定值以后，跨中撓度值和行車速度之間的線性關(guān)系逐步減弱。在車速值為20 km/h條件下，主跨跨中位置撓度值為1.12 cm；車速介于30 cm～50 cm范圍內(nèi)，撓度均值為0.82 cm。在跳車工況下，結(jié)構(gòu)跨中撓度值與行車速度之間成正相關(guān)關(guān)系，且線性關(guān)系斜率顯著大于行車工況下的變化情況。在動荷載試驗(yàn)過程中，結(jié)構(gòu)跨中荷載撓度隨行車速度的變化總體較為平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)寬幅波動情況。簡支梁橋動荷載條件下的跨中撓度值體現(xiàn)的是車輛運(yùn)行過程中橋梁的動力學(xué)響應(yīng)特點(diǎn)。通過本次動荷載撓度試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，車輛在運(yùn)行過程中對主梁結(jié)構(gòu)的動力學(xué)作用同車速聯(lián)系緊密，車速維持在一定范圍內(nèi)時(shí)，動力學(xué)響應(yīng)反而不顯著。此外，跳車工況對于橋梁結(jié)構(gòu)的動荷載響應(yīng)作用更加明顯，且行車速度越快，橋梁結(jié)構(gòu)的動力學(xué)響應(yīng)越顯著。

3 結(jié)語

通過對省內(nèi)某預(yù)應(yīng)力簡支梁橋進(jìn)行動荷載試驗(yàn)檢測工作，得到以下一系列基本結(jié)論。經(jīng)現(xiàn)場動荷載試驗(yàn)檢測結(jié)果得到了試驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)的自振頻率值、動荷載條件下的跨中撓度等指標(biāo)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和分析，被檢測橋梁結(jié)構(gòu)承載能力、截面剛度等指標(biāo)滿足相關(guān)規(guī)范要求。在動荷載試驗(yàn)工況下，簡支梁橋的動力學(xué)特性整體良好，橋梁結(jié)構(gòu)的自振頻率的實(shí)際觀測值大于理論計(jì)算值，表明橋梁結(jié)構(gòu)的截面剛度值較高，行車舒適性及平順性良好。橋梁結(jié)構(gòu)的動力學(xué)沖擊系數(shù)指標(biāo)變化相對平穩(wěn)，且檢測值略低于理論計(jì)算值，但整體數(shù)值較大，充分說明車輛對主梁結(jié)構(gòu)的沖擊作用不可忽略。因此，橋梁結(jié)構(gòu)在具體的服役過程中，必須定期做好橋面養(yǎng)護(hù)，盡可能降低車輛對主梁結(jié)構(gòu)的沖擊作用。