以自振頻率校驗(yàn)系數(shù)直接評(píng)定梁橋承載能力的方法

譚偉

摘要：本文介紹了當(dāng)前工程實(shí)踐中所常用的幾種橋梁檢測方法，并闡述了每種方法的適用條件。并以橋梁模態(tài)試驗(yàn)為基礎(chǔ)，提出了一種針對(duì)未開裂混凝土梁橋的，以自振頻率校驗(yàn)系數(shù)直接評(píng)定橋梁承載能力的方法。使用此種方法代替橋梁靜載試驗(yàn)方法，可大大降低檢測成本。

關(guān)鍵詞：橋梁；荷載試驗(yàn)；校驗(yàn)系數(shù)；自振頻率

1橋梁檢測

橋梁作為道路跨越障礙物的重要結(jié)構(gòu)，一般設(shè)計(jì)使用年限為100年。橋梁使用過程中，橋梁結(jié)構(gòu)主體會(huì)受到車輛超載荷載、地震荷載、所在環(huán)境侵蝕、流冰撞擊等設(shè)計(jì)中所不能完全考慮到的不利荷載因素。隨著車輛荷載的增大，部分老橋已不能適應(yīng)新規(guī)范的承載能力需求，因此，對(duì)老橋的檢測以及承載能力評(píng)定，是橋梁養(yǎng)護(hù)過程中的一項(xiàng)重要工作。

2檢測方法

目前橋梁檢測方法主要包括：外觀法、無損法與荷載試驗(yàn)方法。

2.1外觀法

外觀法即專業(yè)人員根據(jù)城市或公路橋梁檢測評(píng)定規(guī)范，對(duì)于橋梁出現(xiàn)的每一個(gè)病害根據(jù)其危害程度進(jìn)行扣分，最后根據(jù)總得分將橋梁分類的方法。此方法為使用最廣泛的一種方法，方法簡單，對(duì)人員設(shè)備要求低，可以用于檢測大部分常規(guī)正常運(yùn)營的橋梁。

2.2無損法

無損法即使用專用檢測設(shè)備，對(duì)橋梁混凝土、鋼筋的性能進(jìn)行無損檢測，判斷其是否滿足設(shè)計(jì)及使用要求的檢測方法。橋梁一旦建成，組成橋梁結(jié)構(gòu)的原材料的各項(xiàng)無損參數(shù)（強(qiáng)度、鋼保、電阻率等）也隨之固定，通過這些參數(shù)的變化可以判斷橋梁病害發(fā)生的原因，并可以對(duì)癥下藥，修復(fù)一些常規(guī)的破損、銹蝕、非結(jié)構(gòu)性裂縫等病害。

2.3荷載試驗(yàn)方法

2.3.1靜載試驗(yàn)法

靜載試驗(yàn)是在封閉正常交通的情況下，在橋上施加等效于設(shè)計(jì)荷載的靜力荷載，使得橋梁達(dá)到0.85～1.05的工作效率，通過橋梁關(guān)鍵截面的位移及應(yīng)力變化值判斷橋梁工作狀態(tài)。靜載試驗(yàn)方法是當(dāng)前最準(zhǔn)確的評(píng)定橋梁承載能力的一種方法，此方法實(shí)施過程中需要封閉正常交通，影響道路正常通行。前期試驗(yàn)準(zhǔn)備階段以及荷載試驗(yàn)過程中需要投入大量的人工及機(jī)械儀器設(shè)備，一般在橋梁外觀檢查不能評(píng)定橋梁狀況以及擬提高通行荷載的情況下使用。

2.3.1動(dòng)載試驗(yàn)法

動(dòng)載試驗(yàn)是在橋上施加等效于橋梁實(shí)際承受荷載的動(dòng)力荷載，在其關(guān)鍵截面測試其動(dòng)力響應(yīng)參數(shù)（振幅、振動(dòng)速度、振動(dòng)加速度等）與動(dòng)力特性參數(shù)（模態(tài)振型、自振頻率、阻尼比）的一種方法。后者也被稱為模態(tài)參數(shù)，是橋梁結(jié)構(gòu)所固有的性質(zhì)，只要結(jié)構(gòu)一產(chǎn)生，就不會(huì)變化。也就是說橋梁結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化，模態(tài)參數(shù)不會(huì)變。模態(tài)參數(shù)一旦發(fā)生改變，橋梁結(jié)構(gòu)就發(fā)生了變化。所以測試模態(tài)參數(shù)，看其是否變化也可以判斷橋梁結(jié)構(gòu)在使用過程中有沒發(fā)生改變。

3自振頻率的實(shí)際值與理論值

模態(tài)參數(shù)中最準(zhǔn)確且最易獲得的是結(jié)構(gòu)自振頻率。在不封閉交通的情況下，使用速度（或加速度）拾振器置于關(guān)鍵截面即可測到橋梁的速度——時(shí)程曲線，該信號(hào)經(jīng)過FFT（快速傅里葉變換）即可得到速度——頻率曲線（自振頻譜圖），自振頻譜圖中各個(gè)峰值點(diǎn)處頻率值即為橋梁可能存在的各階自振頻率。作為模態(tài)參數(shù)的一部分，橋梁自振頻率的變化，也說明橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。

工程實(shí)踐中，橋梁自振頻率的理論值通常使用有限元軟件Midas civil建立實(shí)橋模型，進(jìn)行特征值分析得到，此方法精度滿足工程要求。

4自振頻率與截面剛度的關(guān)系

對(duì)于等截面混凝土簡支梁，一階頻率計(jì)算公式如下：

上式表明，對(duì)于等截面混凝土簡支梁橋，一階頻率校驗(yàn)系數(shù)的平方等于撓度校驗(yàn)系數(shù)的倒數(shù)。由于公式9推導(dǎo)過程中默認(rèn)了實(shí)際橋梁的截面剛度EI等于理論模型中橋梁截面剛度EI，所以公式9只對(duì)于未開裂的等截面簡支梁橋適用。

工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于二階自振頻率，公式9依然適用。對(duì)于連續(xù)梁橋以及變截面梁橋，公式9近似適用。

7 總結(jié)

本文簡單介紹了現(xiàn)行橋梁檢測的幾種方法，并推導(dǎo)出靜載試驗(yàn)中撓度校驗(yàn)系數(shù)與自振頻率校驗(yàn)系數(shù)的關(guān)系。對(duì)于未開裂的混凝土梁橋，一階（或二階）自振頻率校驗(yàn)系數(shù)的平方等于撓度校驗(yàn)系數(shù)的倒數(shù)。橋梁檢測過程中，對(duì)于未開裂的混凝土梁橋，可以通過自振頻率校驗(yàn)系數(shù)，結(jié)合《公路橋梁承載能力檢測平定規(guī)程》（JTG/T J21-2011）8.3.1條中的內(nèi)容直接判定橋梁承載能力是否滿足要求。省去了做靜載試驗(yàn)的巨大工作量，大大節(jié)約了養(yǎng)護(hù)與檢測的成本，為橋梁檢測項(xiàng)目增值。

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（作者單位：江蘇乾程工程技術(shù)有限公司）