橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能測試及注意事項(xiàng)

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正文：

一、橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力指標(biāo)

橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能，一般是通過試驗(yàn)的方法來獲取各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)來進(jìn)行綜合性評價(jià)，比如固有頻率、沖擊系數(shù)、阻尼比、振型等都是評價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)整體剛度、行車性能的關(guān)鍵指標(biāo)。在實(shí)際檢測評價(jià)工作中，對于一般橋梁結(jié)構(gòu)，主要通過自振頻率、沖擊系數(shù)、阻尼比這三個(gè)指標(biāo)來分析評價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能。

（1）自振頻率：自振頻率與結(jié)構(gòu)剛度的聯(lián)系最為直接，目前，通過自振頻率來評價(jià)橋梁的剛度也被大家所公認(rèn)，具有較高的可靠性，也是目前評價(jià)剛度最常用的方法。自振頻率可以通過儀器能夠精確測得，正常情況下，實(shí)測一階頻率要大于理論計(jì)算值，當(dāng)結(jié)構(gòu)部件出現(xiàn)缺損或異常時(shí)，一般自振頻率會(huì)有所降低，振型也相應(yīng)會(huì)出現(xiàn)異常。

（2）沖擊系數(shù)：沖擊系數(shù)的大小能直接反應(yīng)橋梁結(jié)構(gòu)的行車性能的好壞，正常情況下實(shí)測沖擊系數(shù)要小于理論計(jì)算值，相反，則說明橋梁結(jié)構(gòu)行車性能比較差。

（3）阻尼比：阻尼比的大小是對橋梁結(jié)構(gòu)耗散、吸收外部能量能力的反應(yīng)，沒有精確的理論計(jì)算值，其大小主要通過和同類型橋的歷史數(shù)據(jù)或經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)作比對，從而能粗略判斷出橋梁結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)異常，如果實(shí)測阻尼比比同類型橋明顯偏大，則橋梁結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況可能存在某些缺損。

結(jié)構(gòu)在動(dòng)力作用下（比如風(fēng)、行車、地震荷載等）將會(huì)產(chǎn)生特定的自振特性以及結(jié)構(gòu)響應(yīng)，動(dòng)力分析就是研究這些力學(xué)行為作用下的自振特性和結(jié)構(gòu)響應(yīng)。為了能夠得到并且獲取這些響應(yīng)，我們通常通過對橋梁做動(dòng)載試驗(yàn)來完成，在橋梁動(dòng)載試驗(yàn)中最關(guān)鍵的是激振方法的確定和動(dòng)力特性參數(shù)的測定。

二、橋梁動(dòng)載試驗(yàn)激勵(lì)源的確定

（一）環(huán)境隨機(jī)激振法

該方法是指橋面無任何附加荷載、橋址周圍無規(guī)則振源的影響、橋梁在自然環(huán)境狀態(tài)下，通過測得在隨機(jī)激勵(lì)（如風(fēng)荷載、地脈動(dòng)或水流等）作用下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的微振動(dòng)來識別結(jié)構(gòu)自振特性參數(shù)的方法。為了消除或減弱其他隨機(jī)因素的影響，需要對采集到的長樣本信號進(jìn)行能量平均。對于自振頻率比較低的橋型（懸索橋、斜拉橋等），為了保證足夠的頻率分辨率和提高信噪比，采集時(shí)間一般以大于30min為宜。對于跨徑較小的橋梁，樣本采集時(shí)間可以相對減少。眾多研究結(jié)論表明，環(huán)境激勵(lì)法比較適合大跨度柔性橋梁。

（二）跳車激振法

該方法是指在橋面上指定位置放置三角形墊塊，讓單輛載重汽車的后輪停在墊塊的最高處，然后突然下落，在下落的過程中會(huì)對橋梁產(chǎn)生一個(gè)的沖擊作用，從而激起橋梁的振動(dòng)。該方法更適用于剛度比較大，不容易激振的橋梁，如石拱橋、小跨徑梁式橋。

（三）行車激振法

該方法是指車輛以不同的速度通過橋面后會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生自由衰減振動(dòng)，通過獲取相應(yīng)信號來識別結(jié)構(gòu)自振特性參數(shù)，對小阻尼橋梁效果較好。為了提高信噪比，測得盡可能大的自由衰減振動(dòng)信號，可采用不同的車速進(jìn)行多次試驗(yàn)。這也是荷載試驗(yàn)最常用的方法。

三、橋梁動(dòng)力特性參數(shù)確定

（一） 依托工程背景

以下結(jié)合K248+931中橋?qū)嶋H工程對動(dòng)力特性參數(shù)確定進(jìn)行說明。K248+931中橋上部結(jié)構(gòu)采用3×20m預(yù)應(yīng)力混凝土（后張）小箱梁，先簡支后連續(xù)，下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩，橋臺采用樁基礎(chǔ)。橋面寬度：凈11.0+2×0.5m，設(shè)計(jì)荷載為公路一級。采用Midas軟件對該橋進(jìn)行了理論計(jì)算。

圖1 K248+931中橋

圖2 K248+931中橋計(jì)算模型

（二） 自振頻率測定

按照既定的激振方法，使橋梁產(chǎn)生自由衰減振動(dòng)，通過拾振器獲取振動(dòng)波形信號并用DASP軟件進(jìn)行記錄分析，從而算出結(jié)構(gòu)的固有頻率f 0 。在計(jì)算結(jié)構(gòu)自振頻率時(shí)，為了消除行車沖擊荷載的影響，一般將開始的前幾個(gè)波形舍棄，從中間穩(wěn)定波形開始分析。

式中: L—兩個(gè)時(shí)標(biāo)符號間的距離(mm)；

n—波數(shù)；

S— n 個(gè)波長的距離(mm)；

t1— 時(shí)標(biāo)間隔。

（三）沖擊系數(shù)測定

當(dāng)動(dòng)荷載作用于結(jié)構(gòu)上時(shí)，會(huì)對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的沖擊作用，由于沖擊作用的存在，所以結(jié)構(gòu)的動(dòng)撓度一般要比相應(yīng)靜荷載作用下的靜撓度要大。在這種情況下，動(dòng)撓度與靜撓度的比值稱為活載的沖擊系數(shù)。

為了準(zhǔn)確地測得沖擊系數(shù)，應(yīng)使車輛以不同的速度勻速駛過橋面，每次采集并記錄跨中撓度的時(shí)程曲線。沖擊系數(shù)為：

（四）阻尼比測定

如果采用行車激振法，只有當(dāng)汽車勻速駛離橋跨后到橋跨結(jié)構(gòu)恢復(fù)到靜力平衡位置前這段時(shí)間內(nèi)，結(jié)構(gòu)才作自由衰減振動(dòng)，此時(shí)沒有載重汽車附加質(zhì)量的影響。阻尼比只能在結(jié)構(gòu)作自由衰減振動(dòng)這段振動(dòng)曲線上求得。

式中：n—參與計(jì)算的波的個(gè)數(shù)，n≥3；

Ai—參與計(jì)算的首波峰值；

A′i—參與計(jì)算的首波谷值；

Ai+n—參與計(jì)算的尾波峰值；

A′i+n—參與計(jì)算的尾波谷值。

（五）理論計(jì)算值和實(shí)測值比較

用有限元軟件對K248+931中橋進(jìn)行了動(dòng)態(tài)理論分析，計(jì)算出了該結(jié)構(gòu)的理論自振特性，見圖3。為了精確獲得橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能指標(biāo)，評價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)性能，并使試驗(yàn)在安全的情況下進(jìn)行，動(dòng)載試驗(yàn)調(diào)用一輛總重400kN 的三軸車輛對全橋分別進(jìn)行了單車20km/h、30 km/h、40km/h 、50km/h的勻速跑車試驗(yàn)，有關(guān)記錄和分析見圖3-圖6，動(dòng)力測試結(jié)果見表1。

圖3 第一階振型圖

圖4 衰減曲線

圖5 頻率測試圖

圖6 沖擊系數(shù)

表1：K248+931中橋動(dòng)力測試結(jié)果

四、橋梁動(dòng)力測試注意事項(xiàng)

首先，放大器的抗混濾波設(shè)置要正確。如果抗混疊濾波器設(shè)置過高，會(huì)使信號發(fā)生混疊現(xiàn)象，如果設(shè)置過低，會(huì)濾掉有用的高頻成分，這些都會(huì)對實(shí)際的采集信號產(chǎn)生影響。

其次，DASP軟件有兩種模式：演示模式和測試模式。在數(shù)據(jù)采集工作中，一定檢查軟件是否在測試模式下，如果在演示模式下軟件是無法接受到外部信號的。

最后，為了減免外界環(huán)境對測試信號的干擾，應(yīng)確保測量儀器有良好的接地。

五、結(jié)論

本文明確了梁橋動(dòng)力性能評價(jià)指標(biāo)和動(dòng)載試驗(yàn)激勵(lì)源的確定，在此基礎(chǔ)上研究了結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能測試原理及評價(jià)方法。結(jié)合實(shí)際工程，對其理論結(jié)果和實(shí)測數(shù)值進(jìn)行了對比分析，并總結(jié)出了動(dòng)力測試注意事項(xiàng)。該評價(jià)方法和試驗(yàn)數(shù)據(jù)為同類橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力測試提供了一定參考。