公路橋梁動力特性試驗研究

陳曉東

（湖南城市學院土木工程學院，湖南 益陽 413000）

0 前言

自改革開放以來，我國大力發(fā)展經(jīng)濟，且隨著城市化發(fā)展速度的加快，很多各式各樣的鐵路橋梁、公路橋梁、鐵公路共用橋梁、城市高架橋梁、組合橋梁及立交橋等噴涌而出。但隨著時間的推移，這些既有橋梁逐漸發(fā)生一定的損壞，并且車流量也在不斷地增加，因此對這些既有橋梁進行檢測和加固顯得尤為必要。評定橋梁承載力的方法有很多[1-4]，對于舊橋的荷載試驗是較為常用的檢測方法[5-8]。

橋梁荷載試驗一般包括靜載試驗和動載試驗，動載試驗又可分為動力特性試驗和動力響應試驗。動力特性試驗是指通過環(huán)境激勵、橋面有障礙跑車、急剎車等方式激振，測定橋梁結構自由振動響應信號，進而識別橋梁結構動力特性參數(shù)，比如結構的自振頻率、振型和阻尼比，從而反應橋梁的整體剛度等性能。對于中、小跨徑橋梁，主要測定橋梁結構前幾階固有頻率和阻尼比。動力響應試驗是指在試驗橋面上通過載重試驗汽車以不同速度勻速行駛激振，測定橋梁控制部位及控制截面的動撓度、動應變等受迫振動響應，進而識別橋梁結構相應控制部位的沖擊系數(shù)[9]。介于試驗條件限制，本文只進行了動力特性試驗分析，對該橋1#跨進行跳車試驗，以此分析全橋的動力特性。

1 結構尺寸

試驗對象選取位于湖南省內某簡支梁橋。上部結構為（2×16）m簡支空心板橋，橫向由10 片1.25m寬的空心板組成，下部構造為雙柱式橋墩，全長33.16m，橋面總寬12.5+2×0.5=13.5m。橋梁布置如圖1、2、3所示。

圖1 全橋立面圖（單位：cm）

圖2 全橋平面圖（單位：cm）

圖3 全橋橫斷面圖（單位：cm）

2 振動頻率解析計算

首先建立該簡支梁橋的振動分析簡圖[10]，如圖4所示。

圖4 簡支梁橋振動分析簡圖

簡支梁體系自由振動運動方程為：

進而推導出：

式中：A1，A2，A3，A4是實常數(shù)，它們可由梁端邊界條件來計算；φ（x）為形狀函數(shù)；a為頻率參數(shù)。

根據(jù)簡支梁的邊界條件可得

利用公式（2）和它對于x的二階偏導數(shù)可得

最后整理可得：

則一階振型曲線和相應的振動頻率如圖5所示：

圖5 簡支梁橋一階振型

當我們計算結構固有頻率時，通常將結構離散成有限階數(shù)進行求解，求出最低的那個固有頻率就是結構的基頻，對于簡單結構，一階頻率即基頻就已經(jīng)能夠如實反應結構的整體剛度，所以通過基頻就已經(jīng)足夠能夠作出分析了。在這里只要求出（a）中的振動頻率即可。我國中小跨徑橋梁大部分為鋼筋混凝土簡支梁橋，既有橋梁由于受荷載的長期作用，梁體本身會產生裂縫，裸露的鋼筋會發(fā)生銹蝕，所以其剛度會發(fā)生相應的折減，導致承載力也會降低[11]。本文采用文獻[11]剛度計算方法，通過公式求解可得ω1=4.89Hz。

3 有限元分析

3.1 構造模型

該橋為2×16m簡支空心板梁橋，利用MIDAS CIVIL/2015 對該橋建立單跨模型并進行計算分析，全橋模型采用梁單元模擬。首先，定義截面及材料特性；然后建立梁單元全橋模型并進行梁單元離散；為更好模擬橋梁實際受力狀況，體現(xiàn)橋梁整體性，在橫橋向建立虛擬橫梁；最后，設置簡支邊界條件，定義恒荷載、活荷載。各項取值為：預制板、封錨端、支座墊石、鉸縫和封端混凝土均采用C50 混凝土，采用R235 和HRB335 級鋼筋。一期恒載：自重q=125.4KN/m；二期恒載：二期鋪裝+防撞護欄q=40.5KN/m。全橋模型共有419個節(jié)點，539個單元，計算模型如圖6所示。

圖6 有限元模型

3.2 模型結果

每個振動頻率對應橋梁的一個振型，對于中、小跨徑橋梁，主要測定橋梁結構前幾階固有振動頻率。正如前文所說，對于簡單結構，一階頻率即基頻就已經(jīng)能夠如實反應結構的整體剛度，所以通過基頻就已經(jīng)足夠能夠作出分析?；谟邢拊Ｐ?，對該橋進行自振頻率與模態(tài)計算，得到該橋一階自振頻率為5.06Hz，圖7為該簡支梁橋一階振型圖。

圖7 一階振型圖

4 動力特性試驗

按照試驗規(guī)程規(guī)定，一般需選擇受力最不利、施工質量較差、缺陷較多且施工記錄不完備的橋跨進行動載試驗。為了更精確了解橋梁的整體剛度，由于橋跨較短且限于地形特征，本次動載試驗對該橋1#跨進行跳車試驗。橋梁產生初始激振，進而得到自由振動。激發(fā)橋梁自由振動后，經(jīng)統(tǒng)一標定的941傳感器拾取的信號通過電壓放大器放大，濾波后進入動態(tài)信號處理系統(tǒng)，然后進行數(shù)據(jù)采集和處理。最后通過自譜分析求出結構的動力特性。試驗選取跨中、L/4、3L/4截面作為測試截面，數(shù)據(jù)采集方式采用INV動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)分析方式采用DASP分析軟件[12]。由現(xiàn)場動力試驗得出的橋跨結構的基頻為8.00Hz，比解析計算結果和模型分析結果很接近，但要偏大一些，說明實際橋梁的剛度較大。圖8為全程波形圖。

5 結果分析

通過解析計算、模型建立、現(xiàn)場試驗，得到了該既有簡支梁橋的一階振動頻率即基頻。通過對比分析可以看出，有限元計算與解析計算結果數(shù)值接近，這驗證了有限元模型建立的正確性。同時由現(xiàn)場試驗得到的基頻要比前兩種方式得到的基頻稍微大一些，說明橋跨結構整體剛度高于理論值，滿足設計要求。

圖8 全程波形圖

表1 振動頻率分析對比（Hz）

6 結論

1）該既有簡支梁橋基頻的實測結果為8.00Hz，現(xiàn)場實測結果比有限元分析結果大，說明全橋的整體剛度較大，滿足剛度需求。

2）既有橋梁由于受荷載的長期作用，梁體本身會產生裂縫，裸露的鋼筋會發(fā)生銹蝕，所以其剛度會發(fā)生相應的折減，因此在解析計算時應予以適當修正。

3）采用建立有限元模型的方法求出的基頻和試驗結果誤差很小，說明此模型建立正確，可以對全橋的動力特性進行分析，其計算結果具有實際指導意義。