變截面箱形連續(xù)梁橋動(dòng)載試驗(yàn)應(yīng)用分析

王 偉 黃巧燕

（1.福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建南平353000；2.福建農(nóng)林大學(xué)金山學(xué)院，福建 福州350000）

一、工程概況

本項(xiàng)目橋梁位處三明市尤溪縣境內(nèi)，橋縱向軸線與所跨越河流垂直，橋跨設(shè)計(jì)為（60米+110米+60米）變高度連續(xù)箱梁+四跨20米簡支梁橋。

變高度連續(xù)箱梁部分采用的是C55預(yù)應(yīng)力混凝土，簡支梁橋部分采用的是C50預(yù)應(yīng)力空心板。本項(xiàng)目橋梁寬度組成是：12米=1.75米人行道+8.5米雙車道行車道+1.75米人行道。公路技術(shù)等級為四級，設(shè)計(jì)速度是20千米每小時(shí)，設(shè)計(jì)荷載是公路-Ⅱ級，地震加速度大小是0.05g，抗震設(shè)防裂度為Ⅶ度。主橋平面圖、橫斷面圖見圖1、圖2、圖3。

為檢測橋梁現(xiàn)狀承載能力是否符合規(guī)范要求，保證橋梁安全運(yùn)營，對本橋梁主橋部分（三跨變截面連續(xù)箱梁）實(shí)施動(dòng)載試驗(yàn)，以評定橋梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，為橋梁養(yǎng)護(hù)工作提供依據(jù)。

圖1 橋梁平面圖

圖2 主橋墩頂橫截面圖

圖3 主橋跨中橫截面圖

二、動(dòng)載試驗(yàn)方案

橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性是橋梁結(jié)構(gòu)分析的必要參數(shù)。橋梁的動(dòng)載試驗(yàn)就是在橋梁自振和外荷載作用下，測試動(dòng)力性能指標(biāo)，檢測指標(biāo)是否符合設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定，來判別橋梁結(jié)構(gòu)的剛度和整體受力性能。而所需評價(jià)通常情況下主要是主梁的自振頻率以及沖擊系數(shù)。

1、測試項(xiàng)目

⑴環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)。環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)康氖菧y試結(jié)構(gòu)的自振頻率。本試驗(yàn)是在橋面設(shè)置傳感器，在外界環(huán)境作用下（主要指風(fēng)、地脈動(dòng)等）造成結(jié)構(gòu)微小振幅，在一段時(shí)間內(nèi)（一般要30分鐘以上）記錄橋梁振動(dòng)的時(shí)程信號，對其時(shí)域、頻域分析，最后得出主梁自振特性參數(shù)，即自振頻率。大跨徑橋梁尤其適用這種激振方法。

⑵無障礙行車試驗(yàn)。無障礙行車試驗(yàn)?zāi)康氖菧y試結(jié)構(gòu)的沖擊系數(shù)。本試驗(yàn)是在橋面上作用不同行駛速度的車輛荷載，通過測試橋梁測試點(diǎn)的振幅，進(jìn)而進(jìn)行分析，最后得出橋梁沖擊系數(shù)。其中，無障礙行車試驗(yàn)加載效率=試驗(yàn)荷載下特定截面的實(shí)測最大內(nèi)力（或變形）/設(shè)計(jì)荷載下特定截面不計(jì)沖擊的最大內(nèi)力（或變形）

根據(jù)文獻(xiàn) [1]的要求，試驗(yàn)工況要從5～80km/h的范圍選多個(gè)車速做試驗(yàn)。本試驗(yàn)采用的車輛為單輛，行駛速度有三種，分別是5km/h、10km/h和20km/h，符合規(guī)范要求，測試斷面為圖4中C-C所示。在設(shè)計(jì)荷載公路-Ⅱ級作用下，C-C截面最大內(nèi)力為12 476.32kn·m，試驗(yàn)車輛荷載作用下C-C截面最大內(nèi)力為3619.19kn·m，試驗(yàn)效率根據(jù)上式計(jì)算為0.29。符合文獻(xiàn)[1]不能大于1的要求。

圖4 主橋測試截面示意圖（單位：cm）

2、測試斷面的確定

⑴環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)。檢測結(jié)構(gòu)自振特性時(shí)，將豎向速度拾振器分別布置到三跨箱型連續(xù)梁每跨的L/4、L/2、3L/4處，來測試主梁結(jié)構(gòu)固有頻率及阻尼比。布置點(diǎn)位圖如圖5所示：

圖5 主橋環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)測點(diǎn)布置圖

⑵無障礙行車試驗(yàn)。無障礙行車試驗(yàn)布置動(dòng)應(yīng)變測點(diǎn)，布置在C-C截面的箱梁底面，通過測試三種行駛速度下結(jié)構(gòu)強(qiáng)迫振動(dòng)時(shí)的動(dòng)應(yīng)變的時(shí)程曲線，根據(jù)曲線得出結(jié)構(gòu)沖擊系數(shù)。動(dòng)應(yīng)變測點(diǎn)布置位置如圖6：

圖6 主橋動(dòng)應(yīng)變測點(diǎn)布置圖

三、現(xiàn)場檢測

變截面箱型梁主橋部分環(huán)境振動(dòng)測試試驗(yàn)和無障礙行車試驗(yàn)在2018年1月實(shí)施，環(huán)境振動(dòng)測試試驗(yàn)運(yùn)用速度傳感器，對在外界環(huán)境作用在橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)的振動(dòng)時(shí)程信息進(jìn)行采集，采集信號的頻率定為每秒50次，每個(gè)實(shí)測點(diǎn)采集30分鐘。在試驗(yàn)加載過程中，應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)所采集到的數(shù)據(jù)判斷結(jié)構(gòu)是否發(fā)生異常狀況，若數(shù)據(jù)異常應(yīng)立即停止試驗(yàn)以確保安全。試驗(yàn)期間要組織好加載車輛的加載和卸載過程，提前確定車輛加載位置以縮短試驗(yàn)時(shí)間。正式車輛荷載加載前應(yīng)先預(yù)加載，檢查一下結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，橋梁若為受到荷載時(shí)，采集到的信號不得超過預(yù)估最高信號值的5%。全部試驗(yàn)做完之后要對得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的檢查，以防出現(xiàn)數(shù)據(jù)的不完整影響結(jié)果判斷。分析所測數(shù)據(jù)時(shí)要剔除異常的數(shù)據(jù)。

四、環(huán)境振動(dòng)測試分析

1、實(shí)測數(shù)據(jù)

在大橋橋面設(shè)置的速度傳感器，采集環(huán)境振動(dòng)時(shí)振動(dòng)速度信號，最終測得該橋環(huán)境振動(dòng)時(shí)程曲線，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為時(shí)域數(shù)據(jù)。

通過對這幾個(gè)測點(diǎn)的速度時(shí)程曲線的模態(tài)分析，從主橋環(huán)境振動(dòng)測試頻譜圖可得出該橋梁的前三階頻率分別為豎向一階1.37Hz、豎向二階2.74Hz、豎向三階3.71Hz；阻尼比分別為豎向一階2.96、豎向二階1.24、豎向三階2.24。

2、理論計(jì)算

使用midas對該橋主橋部分進(jìn)行理論模態(tài)分析，來計(jì)算模態(tài)參數(shù)，從主橋前一階振型圖可以得到理論計(jì)算頻率為1.02Hz，從主橋二階振型圖可以得到理論計(jì)算頻率為2.08Hz，從主橋三階振型圖可以得到理論計(jì)算頻率為2.96Hz。

理論計(jì)算出的前三階模態(tài)參數(shù)變化規(guī)律是一階振型、二階振型、三階振型依次從小到大；試驗(yàn)實(shí)測出的前三階模態(tài)參數(shù)變化規(guī)律是一階振型、二階振型、三階振型也是依次從小到大。把實(shí)測振型圖和理論振型圖進(jìn)行對比，實(shí)際情況和理論計(jì)算的變化規(guī)律基本是一致的，說明沒有發(fā)生原則性錯(cuò)誤。

3、分析評定

本次動(dòng)載試驗(yàn)的自振頻率結(jié)果分析中，我們將實(shí)測頻率和理論計(jì)算頻率進(jìn)行對比分析，主橋豎向一階模態(tài)參數(shù)S實(shí)測基頻值為1.37Hz，理論頻率計(jì)算值J為1.02Hz，S/J=1.34；主橋豎向二階模態(tài)參數(shù)S實(shí)測基頻值為2.74Hz，理論頻率計(jì)算值J為2.08Hz，S/J=1.32；主橋豎向三階模態(tài)參數(shù)S實(shí)測基頻值為3.71Hz，理論頻率計(jì)算值J為2.96Hz，S/J=1.25。說明三階振型頻率都是實(shí)測值大于理論值。實(shí)測的自振頻率若比計(jì)算頻率大，則主梁實(shí)際現(xiàn)狀剛度比理論剛度大，實(shí)測的自振頻率若比計(jì)算頻率小，則主梁實(shí)際現(xiàn)狀剛度比理論剛度小，可能是主梁發(fā)生了局部缺損，應(yīng)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行仔細(xì)的檢查，排除隱患。由結(jié)構(gòu)自振特性測試得到的結(jié)果表明主橋的整體剛度呈理想狀態(tài)，比理論值要大一些，主橋傳遞振動(dòng)的能力處于較好狀態(tài)。

五、無障礙行車試驗(yàn)分析

1、沖擊系數(shù)

當(dāng)橋梁主橋部分受到隨著時(shí)間變化的荷載作用時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生的振動(dòng)成為強(qiáng)迫振動(dòng)。C-C截面梁底布置1#和2#測點(diǎn)應(yīng)變片來記錄動(dòng)應(yīng)變，在不同車速車輛駛過橋梁時(shí)，利用產(chǎn)生的激振記錄動(dòng)應(yīng)變時(shí)程曲線。車速選用三種，分別為5km/h、10km/h、20km/h。動(dòng)應(yīng)變時(shí)程曲線橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為振幅。從5km/h、10km/h、20km/h動(dòng)應(yīng)變時(shí)程曲線進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)車輛駛過C-C截面時(shí)動(dòng)應(yīng)變達(dá)到最大值，且呈波動(dòng)狀態(tài)。

2、分析評定

根據(jù)沖擊系數(shù)的定義，1+μ=2Ydmax/(Ydmax+Ydmin），其中μ為沖擊系數(shù)；Ydmax為C-C截面測點(diǎn)最大動(dòng)應(yīng)變峰值；Ydmin為C-C截面測點(diǎn)最大動(dòng)應(yīng)變谷值；(Ydmax+Ydmin）/2為C-C截面測點(diǎn)最大靜應(yīng)變值。

通過對該橋主橋理論計(jì)算，該橋一階振型基頻為1.02，根據(jù)文獻(xiàn)[3]的規(guī)定，當(dāng)結(jié)構(gòu)基頻f小于1.5Hz時(shí)，結(jié)構(gòu)理論沖擊系數(shù)μ取0.05。

從 5km/h、10km/h、20km/h 動(dòng)應(yīng)變時(shí)程曲線進(jìn)行分析，無障礙行車速度為5km/h時(shí)，C-C截面測點(diǎn)最大動(dòng)應(yīng)變峰值為9.67×10-6，C-C截面測點(diǎn)最大動(dòng)應(yīng)變谷值為8.28×10-6，根據(jù)上面沖擊系數(shù)的定義公式，可以計(jì)算出實(shí)測沖擊系數(shù)μ 為 μ=2Ydmax/(Ydmax+Ydmin）-1=0.077，計(jì)算得到的沖擊系數(shù)進(jìn)行修正，最后修正后的實(shí)測沖擊系數(shù)為0.022；無障礙行車速度為10km/h時(shí)，C-C截面測點(diǎn)最大動(dòng)應(yīng)變峰值為9.23×10-6，C-C截面測點(diǎn)最大動(dòng)應(yīng)變谷值為8.06×10-6，根據(jù)上面沖擊系數(shù)的定義公式，可以計(jì)算出實(shí)測沖擊系數(shù)μ為μ=2Ydmax/（Ydmax+Ydmin）-1=0.068，計(jì)算得到的沖擊系數(shù)進(jìn)行修正，最后修正后的實(shí)測沖擊系數(shù)為0.020；無障礙行車速度為20km/h時(shí)，C-C截面測點(diǎn)最大動(dòng)應(yīng)變峰值為8.69×10-6，C-C截面測點(diǎn)最大動(dòng)應(yīng)變谷值為8.30×10-6，根據(jù)上面沖擊系數(shù)的定義公式，可以計(jì)算出實(shí)測沖擊系數(shù)μ為μ=2Ydmax/（Ydmax+Ydmin）-1=0.023，計(jì)算得到的沖擊系數(shù)進(jìn)行修正，最后修正后的實(shí)測沖擊系數(shù)為0.007?？梢娝俣仍酱?，實(shí)測沖擊系數(shù)就越小。在對沖擊系數(shù)進(jìn)行取值時(shí)，要采用三次不同車速試驗(yàn)時(shí)最大的實(shí)測沖擊系數(shù)來代表結(jié)構(gòu)的沖擊系數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，無障礙行車數(shù)據(jù)實(shí)測時(shí)主橋?qū)崪y最大沖擊系數(shù)是當(dāng)車速為5km/h時(shí)呈最高，最高值是0.022。

沖擊系數(shù)越大，表明橋梁結(jié)構(gòu)受力性能越差，橋面的平整度、行駛舒適度越低，橋梁的動(dòng)力響應(yīng)能力也較差，此時(shí)應(yīng)分析原因，是否是結(jié)構(gòu)的受力性能比較差；沖擊系數(shù)越小，表明橋梁結(jié)構(gòu)受力性能越好，橋面的平整度、行駛舒適度越好，橋梁的動(dòng)力響應(yīng)能力也較優(yōu)。實(shí)測最大沖擊系數(shù)為0.022，理論計(jì)算沖擊系數(shù)值為0.05，理論值大于實(shí)測值，表明橋梁實(shí)際狀態(tài)是好于理論狀態(tài)的，即橋梁實(shí)際承受車輛荷載的能力比較好。

六、結(jié)論與建議

通過對動(dòng)載試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析后表明，主橋結(jié)構(gòu)實(shí)測自振頻率和跨徑接近的同類橋梁對比，其值是屬于正常的，并且結(jié)構(gòu)基頻大于理論計(jì)算值20%以上，再加上阻尼比的試驗(yàn)實(shí)測值也在正常范圍，表明主橋的整體剛度呈理想狀態(tài)，比理論值要大一些，主橋傳遞振動(dòng)的能力處于較好狀態(tài)；橋面無障礙行車試驗(yàn)荷載下，實(shí)測最大沖擊系數(shù)為小于理論計(jì)算沖擊系數(shù)值，表明橋梁實(shí)際狀態(tài)是好于理論狀態(tài)的，即橋梁實(shí)際承受車輛荷載的能力比較好。該橋是能滿足公路-Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)度和剛度要求的。建議對橋面鋪裝現(xiàn)狀裂縫進(jìn)行封閉處理或挖除重做，減輕因滲水而對主梁混凝土強(qiáng)度的影響。增強(qiáng)主梁混凝土耐久性，讓主梁始終處在一個(gè)比較好的養(yǎng)護(hù)狀態(tài)中。