移動荷載作用下曲線橋梁的動態(tài)響應實橋分析

■張澤文 羅章華 黃嘆生

(1.廈門市快速公交場站有限公司 廈門 361000；2.廈門合誠工程檢測有限公司 廈門 361000)

0 引言

超載或超速運行的車輛行駛在曲線橋梁結構上時會產生動力響應，影響橋梁的工作狀態(tài)和使用年限。其次，曲線橋梁結構的振動同時也對通過的車輛的穩(wěn)定性和安全性產生作用，使其成為評估結構動力設計參數的合理情況的重要因素。所以，對移動的車輛動荷載與橋梁結構動力耦合作用進行綜合研究，以便對曲線橋梁整體的動力性能和行車安全作出分析和評估，在實際工程和對于承受動荷載的各種橋梁結構的設計和建造具有十分重要的意義。

1 工程概況

廈門市快速交通系統(tǒng)(BRT)一號線島內段起自第一碼頭，沿廈禾路、蓮前西路、縣黃路與集美大橋對接。各區(qū)間使用高架橋梁連接。其中，第93聯(lián)設計采用4跨預應力混凝土連續(xù)剛構橋結構，孔跨布置為(23+24+29+29)m，橋寬11.3m，屬區(qū)間橋梁；該橋為曲線橋，其曲線半徑為150m，平面布置如圖1所示。主梁斷面為單箱單室，混凝土強度等級為C50；墩柱為瓶式變斷面，混凝土強度等級為C40。蓮花富山小曲線鋼橋上部結構跨徑分布：(49.75+60+49.75)m，為連續(xù)鋼箱梁結構，主梁采用Q345鋼。平面布置如圖2所示。

計算荷載：輕軌荷載(直線電機B型車荷載)，設計行車速度：30km/h。

2 工程動載試驗試驗方案

圖1 廈門市BRT第93聯(lián)高架橋平面布置圖(單位：m)

圖2 廈門市BRT蓮花富山小曲線鋼橋平面布置圖(單位：m)

結構的動力特性是結構振動系統(tǒng)的基本特性，是進行結構動力分析所必須的參數。橋梁動力荷載試驗主要是通過測試橋跨結構的動力特性指標 (自振特性指標和動荷載作用下的振動特性指標)，研究橋梁結構的自振特性和車輛動力荷載與橋梁結構的聯(lián)合振動特性，以檢驗這些指標能否滿足設計或規(guī)范規(guī)定，從而判斷橋梁結構的整體剛度、行車性能。

2.1 環(huán)境振動試驗

環(huán)境振動試驗主要測量橋梁的自振頻率。環(huán)境振動試驗是通過在橋上布置高靈敏度的傳感器，長時間記錄橋梁結構在環(huán)境激勵下，如風、水流、地脈動等引起的橋梁振動，然后對記錄下來的橋梁振動時程信號進行處理，并進行時域和頻域分析，求出橋梁結構自振特性的一種方法。

環(huán)境振動試驗假設環(huán)境激勵為平穩(wěn)的各態(tài)歷經，在中低頻段，環(huán)境振動的激勵譜比較均勻，在環(huán)境激勵的頻率與橋梁的自振頻率一致或接近時，橋梁容易吸收環(huán)境激勵的能量，使振幅增大；而在環(huán)境激勵的頻率與橋梁自振頻率相差較大時，由于相位差較大，有相當一部分能量相互抵消，振幅較小。對環(huán)境激勵下橋梁的響應信號進行多次功率譜的平均分析，可得到橋梁的各階自振頻率。環(huán)境振動試驗要測出橋梁結構多階頻率及阻尼比。

本文采用MIDAS對該橋2聯(lián)曲線橋進行理論模態(tài)分析，得到一階模態(tài)參數，如圖3。一階振型的頻率分別為 2.18Hz和 4.79Hz。

2.2 無障礙行車試驗

無障礙行車試驗是利用試驗車輛在橋上以一定速度行駛，對橋梁施以動力荷載，測量橋梁特征位置的振幅、動應力和沖擊系數等，對測得的橋梁動力響應值進行分析，獲得橋梁的動力響應特性。

圖3 廈門市BRT曲線橋梁計算模態(tài)

通過對該曲線橋進行計算分析得到，該曲線橋理論結構基頻分別為2.18Hz和4.79Hz，根據《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60-2015)中的規(guī)定，計算得到相應沖擊系數為0.122和0.261。如圖4為車輛通過曲線橋梁的彎矩內力圖。

本次試驗擬利用一輛試驗汽車來模擬汽車無障礙行車，要求其分別以 10km/h、20km/h、30km/h、40km/h、50km/h、60km/h的速度勻速駛過該橋，每一車速行駛1次，測試橋梁的動應變時程。

圖4 廈門BRT曲線橋梁無障礙行車彎矩內力圖

3 測試結果與評定

3.1 環(huán)境振動測試分析及評定

環(huán)境振動試驗采用速度傳感器采集橋梁在環(huán)境荷載作用下的振動速度信號。信號的采樣頻率為100Hz，每個測點采樣時間為30min。

通過在蓮花富山小曲線鋼橋及第93聯(lián)橋橋面布置速度傳感器，測得該橋典型測點的環(huán)境振動時程曲線如圖5所示。

圖5 廈門BRT曲線橋測點的環(huán)境振動時程曲線

對各測點的速度時程曲線進行實驗模態(tài)分析，得出結構的一階頻率，如圖6及圖7所示。

圖6 廈門BRT曲線橋梁振動頻譜圖

圖7 廈門BRT曲線橋實測豎彎一階模態(tài)

本次試驗測試的橋梁自振頻率如表1所列，表中亦列出頻率理論計算值。由表可以看出，蓮花富山小曲線鋼橋實測基頻為2.19Hz，第93聯(lián)橋實測基頻為5.69Hz，分別大于理論計算值2.18Hz和4.79Hz。自振特性測試結果表明富山小曲線鋼橋和第93聯(lián)整體剛度良好、較理論為大，結構傳遞振動能力及均質性較好。

表1 實測頻率與理論頻率的對比

3.2 無障礙行車試驗分析及評定

沖擊系數定義為當橋梁上有車輛行駛時，由于車輛與橋梁的相互作用，引起車橋整體系統(tǒng)振動，從而使得橋梁結構在車輛荷載作用下位移和內力的動力反應值大于車輛荷載作為靜力荷載作用下的橋梁結構的位移和內力值。為了確保橋梁結構在車輛動力荷載作用下的使用安全，在工程設計中必須考慮車輛荷載的動力效應。目前，在橋梁設計規(guī)范中，一般用沖擊系數來考慮車輛荷載的動力效應。沖擊系數定義如下：

式中，μ為沖擊系數；Ydmax為最大動應變值；(Ydmax+Ydmin)/2為最大靜應變值。

當試驗車輛荷載不滿足0.95≤ηdyn≤1.05時，應進行荷載效率修正，即修正后的實測沖擊系數：

強迫振動是結構受到隨時間變化的外力時所顯示的反映，動應變測點在不同車速激振下的部分動應變時程曲線見圖8。

通過邁達斯計算，本次實測曲線橋梁在指定試驗車輛荷載作用下控制截面的最大內力及設計標準荷載作用下的控制截面內力如下表2所示，滿足《城市橋梁檢測與評定技術規(guī)范》(CJJ/T 233-2015)中不大于1的規(guī)定，故將其作為本次實測沖擊系數的荷載效率修正系數。

本次實測無障礙跑車情況下的實測沖擊系數列于表3。

圖8 廈門BRT曲線橋梁無障礙行駛時時程響應曲線

表2 廈門BRT曲線橋梁移動荷載試驗效率表

無障礙行車試驗的試驗車速分別為10km/h、20km/h、30km/h，試驗得出，無障礙行車試驗下蓮花富山小曲線鋼橋單車實測最大沖擊系數在車速30km/h時最大，其值為0.162，通過車輛荷載修正后沖擊系數為0.034；第93聯(lián)橋單車實測沖擊系數在車速為30km/h最大，其值為0.174，通過車輛荷載修正后沖擊系數為0.049。

沖擊系數的大小綜合反應了橋梁結構的受力性能，橋面平整度以及橋梁的動力性能。通過車輛荷載修正后，蓮花富山小曲線鋼橋單車實測的沖擊系數最大值為0.034，小于設計規(guī)定計算得到的沖擊系數0.122；第93聯(lián)單車實測的沖擊系數最大值0.049，小于設計規(guī)定計算得到的沖擊系數0.261。實測值小于計算值，說明實際橋梁結構動力性能較好，橋面高速行車時舒適度較佳。

4 結論

本文通過廈門BRT高架橋梁典型曲線橋的工程實例來對曲線橋梁的動態(tài)性能進行研究，利用midas建模，進行理論分析，理論數據的計算。通過脈動試驗和跑車試驗分別對橋梁頻率、阻尼、振型、沖擊系數進行分析與評定。

表3 蓮花富山小曲線鋼橋及第93聯(lián)在不同車速下的沖擊系數

通過對兩聯(lián)橋梁的動態(tài)分析，得到實測振型與理論振型較為一致，實測頻率較理論頻率大，而實測沖擊系數小于理論沖擊系數，說明橋跨剛度性能較好，也說明本次工程實例研究與理論較為一致。