通過探測基礎(chǔ)剛度評估重載鐵路簡支梁橋沖刷的影響

李保龍

(朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北 肅寧 062350)

1 概述

多跨簡支梁橋因其結(jié)構(gòu)簡單、架設(shè)方便、造價低、施工工期短、結(jié)構(gòu)內(nèi)力不受地基變形和溫度改變的影響等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于鐵路交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。多跨簡支梁橋主要分為上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)，橋梁上部結(jié)構(gòu)承受列車荷載作用，而下部結(jié)構(gòu)的狀態(tài)也直接影響整個橋梁的安全。隨著橋梁服役年限的不斷增長，由于洪水沖刷、鹽堿腐蝕及外力撞擊等引起的基礎(chǔ)病害逐漸顯現(xiàn)出來。然而橋梁的基礎(chǔ)病害一般在地面或水面以下，簡單的外觀檢查或靜力加載方式[1]很難對其技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行評估。自振頻率是橋梁基礎(chǔ)狀態(tài)診斷和評估的關(guān)鍵性指標(biāo)之一，因此國內(nèi)外都十分重視橋梁下部結(jié)構(gòu)自振頻率的現(xiàn)場測試[2-3]。

孫國藩[4]總結(jié)了不同病害下橋墩的10種典型波形，并提出了鐵路橋墩技術(shù)狀態(tài)判別方法。陳新中等[5]對墩身根部出現(xiàn)裂紋病害的鐵路橋墩進(jìn)行了實驗室試驗，分析了裂紋病害橋墩與完好橋墩振動特性的差異；沈陽鐵路局科學(xué)技術(shù)研究所[6]運用綜合動力指標(biāo)對長大線跨度30 m以上部分橋墩的病害進(jìn)行了評判；尹成斐[7]以朔黃鐵路一水中橋墩為研究對象，測試了橋墩橫橋向自振頻率，并采用模型修正技術(shù)對橋墩的健康狀態(tài)進(jìn)行了定量評估。

基礎(chǔ)剛度反映了基礎(chǔ)約束的強弱。既有研究中，可依據(jù)橋墩自振頻率通過多種手段實現(xiàn)基礎(chǔ)剛度的識別：安志剛[8]以有限元模型修正技術(shù)為基礎(chǔ)，采用橋墩自振頻率和振型構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)，識別得到基礎(chǔ)約束剛度；陳興沖[9]將橋梁下部結(jié)構(gòu)簡化為帶有集中質(zhì)量的懸臂梁，通過能量法計算了基礎(chǔ)約束剛度；朱晞等[10]采用回歸分析法得到了橋墩自振頻率和基礎(chǔ)剛度之間的簡化計算公式。

本文以一座重載鐵路簡支梁橋為研究對象，對水流沖刷作用下橋梁下部結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)進(jìn)行了現(xiàn)場測試，并采用橋墩自振頻率的近似計算方法得到基礎(chǔ)剛度，分析了水流沖刷對基礎(chǔ)剛度的影響。

2 自振頻率測試方法

橋梁下部結(jié)構(gòu)自振頻率測試方法主要包括余振法、環(huán)境振動法和模態(tài)分析法。余振法只適用于振動形式較為單一的結(jié)構(gòu)；環(huán)境振動法只對柔度較大結(jié)構(gòu)有效；模態(tài)分析法操作難度較大且試驗成本較高。對于普通鐵路多跨簡支梁體系來說，各構(gòu)件之間的相互耦合較為嚴(yán)重且橋墩剛度較大，以上方法均不適用。

沖擊振動試驗法[11]是近年來出現(xiàn)的橋梁下部結(jié)構(gòu)自振頻率測試的新方法。其基本原理是將沖擊荷載在橋墩自振頻率范圍內(nèi)的荷載譜簡化為白噪聲荷載，并將響應(yīng)譜近似等效為頻響函數(shù)，根據(jù)響應(yīng)譜的相位角與結(jié)構(gòu)自振頻率峰值點的對應(yīng)關(guān)系最終確定結(jié)構(gòu)的自振頻率：對于位移和加速度信號，當(dāng)響應(yīng)譜峰值點所對應(yīng)的相位角為90°或270°時(圖1(a))，相應(yīng)頻率即為結(jié)構(gòu)的自振頻率；對于速度信號，當(dāng)響應(yīng)譜峰值點所對應(yīng)的相位角為180°或360°時(圖1(b))，相對頻率即為結(jié)構(gòu)的自振頻率。

圖1 確定自振頻率的方法

3 理論基礎(chǔ)剛度計算方法

鐵路橋墩在動力荷載作用下，可簡化為頂端帶有集中質(zhì)量的懸臂梁[9]，如圖2所示。其中，M為墩頂集中質(zhì)量;m為墩身分布質(zhì)量;A為橋墩截面面積;E和I分別為橋墩彈性模量和慣性矩;ρ為材料密度;H為墩身高度;k1,k2分別為地基對橋墩的平動約束剛度和轉(zhuǎn)動約束剛度。樁基剛度計算模型如圖3所示。

圖2 橋墩簡化模型

圖3 樁基剛度計算模型

假定樁基礎(chǔ)入土深度為h;在地面或局部沖刷面處的彎矩、剪力、水平位移和轉(zhuǎn)角位移分別為M0，Q0，x0，φ0;在地面或局部沖刷面以下深度y處的彎矩、剪力、水平位移和轉(zhuǎn)角位移分別為My,Qy,xy,φy;則由材料力學(xué)可知：

(1)

式中：b0為樁基礎(chǔ)的計算寬度;m為非巖石地基水平向抗力系數(shù)的比例系數(shù)。

(2)

(3)

(4)

依據(jù)上述單樁樁頂剛度，可按照TB 10093—2017《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》進(jìn)行群樁整體平動約束剛度k1和轉(zhuǎn)動約束剛度k2的相關(guān)計算，且認(rèn)為當(dāng)橋墩基礎(chǔ)狀態(tài)發(fā)生變化時，平動約束剛度和扭轉(zhuǎn)約束剛度發(fā)生等程度變化。

4 基礎(chǔ)約束剛度識別方法

得到橋梁自振頻率之后即可采用Rayleigh能量法計算橋墩的基礎(chǔ)剛度，將基底約束簡化為轉(zhuǎn)動彈簧和平動彈簧，文獻(xiàn)[9]根據(jù)Southwell頻率合成法和能量守恒原理推導(dǎo)了橋墩自振頻率和基礎(chǔ)剛度之間的關(guān)系。設(shè)xt(z)，xr(z)，xf(z)，xs(z)分別是由平動、轉(zhuǎn)動、墩身彎曲變形、墩身剪切變形引起的撓度函數(shù)，其表達(dá)式為

式中：ct,cr分別是k1的平動位移和k2的轉(zhuǎn)角位移；cf,cs分別為由于墩身彎曲變形和墩身剪切變形引起的墩頂位移。

根據(jù)頻率合成法，橋墩系統(tǒng)的振動基頻可由各獨立系統(tǒng)的變形元和慣性元全部組合給定，如圖4所示。

正是基于思想政治教育學(xué)的特點，創(chuàng)新和完善思想政治教育形式就顯得非常必要。特別是今天我們處在信息化時代，表現(xiàn)形式、表達(dá)方式較過去更加多元，而大學(xué)生這一青年群體又天生地對各種新興形式、新興方式更加易于接納，因此，在新時代做好大學(xué)生思想政治教育工作也應(yīng)該與時俱進(jìn)，通過舉辦一些學(xué)生喜聞樂見又樂于接受的公益活動、興趣活動、積極健康向上的文娛活動等，把思想政治教育的內(nèi)容融入其中，從而使大學(xué)生在除了課程教學(xué)之外，有更鮮活的形式來接受思想政治教育。

圖4 橋墩頻率計算中慣性元與變形元的組合

各獨立系統(tǒng)的組合頻率為

(9)

式中:ω1為墩身分布質(zhì)量與基礎(chǔ)變形的組合頻率;ω2為墩身分布質(zhì)量和墩身彎曲變形的組合頻率;ω3為墩身分布質(zhì)量和墩身剪切變形的組合頻率;ω4為墩頂集中質(zhì)量和基礎(chǔ)變形的組合頻率;ω5為墩頂集中質(zhì)量和墩身彎曲變形的組合頻率;ω6為墩頂集中質(zhì)量和墩身剪切變形的組合頻率;1/k′為剪切應(yīng)力的分布系數(shù);G為剪切模量。

橋墩系統(tǒng)的振動基頻ω滿足

(15)

假定平動約束剛度k1和轉(zhuǎn)動約束剛度k2之比為α∶1，則二者可采用一個變量表示。將上式進(jìn)一步化簡可得轉(zhuǎn)動約束剛度和橋墩自振頻率之間的關(guān)系為

(16)

綜合以上基礎(chǔ)剛度識別方法可將實測得到的橋墩自振頻率轉(zhuǎn)化為基礎(chǔ)約束剛度。將實測基礎(chǔ)約束剛度識別值和理論基礎(chǔ)約束剛度計算值進(jìn)行比對，當(dāng)前者較大時，說明基礎(chǔ)狀態(tài)良好。反之則認(rèn)為橋墩基礎(chǔ)狀態(tài)不滿足設(shè)計使用要求。

5 基于剛度識別的橋梁沖刷評估現(xiàn)場試驗

5.1 橋梁概況

大沙河特大橋為32 m跨度普通高度預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁橋(定型圖號：專橋2059)、圓端形橋墩和樁基礎(chǔ)。調(diào)查中發(fā)現(xiàn)大沙河特大橋上行線的T梁已經(jīng)用施加橫向預(yù)應(yīng)力的方式進(jìn)行了加固;上下行分離式圓端形橋墩進(jìn)行了外包混凝土加固，使其成為了整體橋墩;對基礎(chǔ)橫橋向兩側(cè)分別進(jìn)行了加樁處理，并相應(yīng)加大了承臺尺寸。

2018年7月21日，上游約40 km處水庫放水，使得大沙河河床下切，導(dǎo)致大沙河特大橋的32#墩兩側(cè)基礎(chǔ)(見圖5)和31#墩一側(cè)基礎(chǔ)沖刷，其中32#墩最大沖刷深度達(dá)到4.5 m。

圖5 32#墩

為了研究水流沖刷對基礎(chǔ)約束剛度的影響規(guī)律，對大沙河特大橋的29#墩、30#墩、31#墩和32#墩進(jìn)行了動力測試。上述4個橋墩的基礎(chǔ)土質(zhì)較為接近，加固處理方式也相同。橋墩尺寸見圖6。

圖6 橋墩尺寸(單位：cm)

表1 橋墩物理參數(shù)

5.2 試驗設(shè)備及方案

試驗選用國家地震局工程力學(xué)研究所生產(chǎn)的941-B 型振動拾振器。該拾振器具有質(zhì)量輕、分辨率高、使用方便等優(yōu)勢，滿足試驗所需的帶寬要求。得到結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)后，采用東方振動和噪聲技術(shù)研究所生產(chǎn)的INV3018C型24位數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)和DASP-V10動態(tài)測試分析平臺軟件開展響應(yīng)信號采集和分析工作。

普通鐵路簡支梁橋質(zhì)量很大，普通的力錘等激勵設(shè)備很難保證激勵完全，因此激勵設(shè)備采用30 kg 的特質(zhì)鑄鐵重錘。為了保護橋梁結(jié)構(gòu)，避免重錘直接錘擊對橋墩結(jié)構(gòu)造成損傷，在重錘外包硬質(zhì)橡膠。

由于該方法僅需測量響應(yīng)信號，無需測量力信號，因此在實際測量時，僅需在墩頂布置一個橫向拾振器(如圖7)，且本次試驗所拾取的響應(yīng)均為速度。

圖7 測點布置示意

基于上述試驗設(shè)備和測點布置方案，即可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的激勵、拾取、采集和分析。

5.3 試驗結(jié)果分析

由于本試驗中31#墩和32#墩位于水中，受到水流沖刷較為嚴(yán)重，29#墩、30#墩位于陸地，并未受到水流的沖刷作用，因此本次試驗以29#墩、30#墩的自振特性識別結(jié)果作為參考，分析了31#墩和32#墩在基礎(chǔ)受到?jīng)_刷后基礎(chǔ)約束剛度的變化規(guī)律。用特制重錘橫向錘擊橋墩頂部，墩頂速度響應(yīng)時程曲線如圖8所示。

圖8 墩頂速度響應(yīng)時程曲線

為了提高信噪比，將多次沖擊荷載下的墩頂速度響應(yīng)時程進(jìn)行平均以消除噪聲干擾信號。采用沖擊振動試驗法對各橋墩的墩頂速度響應(yīng)時程進(jìn)行分析，各橋墩的自振頻率識別結(jié)果如圖9所示。

圖9 各橋墩頻率識別結(jié)果

從圖9可以看出，各橋墩均有2個響應(yīng)譜峰值點，較小的頻率峰值點均為3.5 Hz且不滿足相位譜條件。依據(jù)沖擊振動試驗法的基本原理，可準(zhǔn)確判定3.5 Hz為32 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁的橫向振動頻率，29#墩、30#墩、31#墩和32#墩的自振頻率分別為7.75,7.75,7.00,7.00 Hz。

依據(jù)本文所提實測基礎(chǔ)剛度識別方法，以表1所示的橋墩物理參數(shù)為基礎(chǔ)，可算得29#，30#，31#，32#墩的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動約束剛度分別為1.59×1010，1.59×1010，1.27×1010，1.27×1010N/(m·rad)。各橋墩的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動約束剛度計算值為9.27×109N/(m·rad)，實測值大于計算值。

各橋墩基礎(chǔ)約束剛度計算結(jié)果說明在水流沖刷條件下，31#墩和32#墩的基礎(chǔ)剛度被削弱了20%，但依然滿足設(shè)計使用需要。建議實際運營中嚴(yán)密監(jiān)視31#墩和32#墩的基礎(chǔ)剛度變化，必要時對其進(jìn)行加固。

6 結(jié)論

本文以大沙河特大橋為研究對象，采用沖擊振動試驗法測得橋梁下部結(jié)構(gòu)的自振頻率，推導(dǎo)了橋墩自振頻率與基礎(chǔ)剛度之間的關(guān)系，分析了水流沖刷對基礎(chǔ)剛度的影響。主要結(jié)論如下：

1)本文所提方法可準(zhǔn)確識別橋梁下部結(jié)構(gòu)的自振頻率，并準(zhǔn)確計算橋梁基礎(chǔ)剛度。

2)大沙河特大橋樁基礎(chǔ)受到水流沖刷作用后，自振頻率會出現(xiàn)較為明顯的下降，基礎(chǔ)剛度下降20%，但依然滿足設(shè)計使用需要。在橋梁實際運營養(yǎng)護中，須對受到水流沖刷的橋墩進(jìn)行重點關(guān)注，在必要時進(jìn)行加固處理。