基于行車激勵的橋梁動力性能測試與狀態(tài)評估

關孝文，張 莉，胡世浩，張效軍

(1.公路建設與養(yǎng)護技術、材料及裝備交通運輸行業(yè)研發(fā)中心(甘肅路橋建設集團有限公司)，甘肅 蘭州 730030；.甘肅智通科技工程檢測咨詢有限公司， 甘肅 蘭州 730050；3.天?？h自然資源局， 甘肅 武威 733299； 4.蘭州交通大學， 甘肅 蘭州 730070)

橋梁結構的動力特性是橋梁承載能力評定的重要參數(shù)，同時也是識別橋梁結構工作性能的重要參數(shù)[1-3]。任何結構都可看作是由剛度、質量、阻尼矩陣構成的動力學系統(tǒng)，結構一旦出現(xiàn)損傷，其動力學參數(shù)也隨之變化，這種變化可視為結構損傷發(fā)生的標志。因此，基于動力特性的損傷識別和狀態(tài)評估越來越受到人們的關注[4-6]，而測試動力特性的準確性是橋梁損傷識別和狀態(tài)評估可靠性的關鍵因素。

在橋梁動力特性測試的過程中，為了能夠獲得更高信噪比的響應信號，往往采用行車的方式給橋梁進行激振，例如跳車試驗、勻速跑車試驗等[7-9]。根據(jù)研究資料顯示，采用行車激勵的方式對橋梁進行激振的過程會伴隨著車橋耦合振動的發(fā)生[10-13]，而這一振動信號的產(chǎn)生將對我們測試橋梁實際自振特性產(chǎn)生影響，而且在結構自重較輕，激勵車輛荷載較重的情況下這一影響還會繼續(xù)放大。從目前的研究情況來看大都通過概率統(tǒng)計獲得頻率加權平均值的方法排除這種耦合振動帶來的干擾[14-15]，但我們從行車激勵的動態(tài)歷程來看，車橋耦合振動發(fā)生在車輛上橋后和下橋前的這段時間內(nèi)，這段時間橋梁處于受迫振動狀態(tài)，而當車輛駛出橋梁時，結構處于一種自由衰減的振動狀態(tài)，選取此時的頻域曲線進行分析可有效避免車輛對橋梁自振頻率的影響。

基于以上論述，作者以一座簡支鋼混疊合梁橋為例，采用行車激勵的方式對該橋的動力性能進行了測試.本文通過動應變時程曲線判斷車輛出橋時間，以此時間為節(jié)點，選擇車輛出橋后的頻域曲線進行分析，以驗證采用行車激勵法測試橋梁動力性能的有效性和準確性。

1 橋梁概況

該橋為國道312線嘉峪關至清泉段公路(試驗段)上跨高速公路而建的鋼混疊合梁橋，橋梁全長53 m，計算跨徑45 m，路基寬度12 m，行車道寬度采用3.75 m，設計時速為80 km/h，結構形式為單跨簡支梁。橋梁鋼結構部分采用全焊接鋼梁，鋼梁由端橫梁、主梁(三片槽型鋼梁)、橫隔梁及加勁肋組成，鋼梁上翼板頂面設置鋼釘與混凝土橋面板連為整體,各構件截面尺寸如圖1所示，主梁鋼材采用Q345D鋼板；橋面板采用微膨脹C50混凝土分塊預制，板間采用現(xiàn)澆濕接縫連接方式；剪力釘采用Φ22 mm圓頭焊釘，高度170 mm，根據(jù)不同的受力需要，剪力釘在沿橋縱向采用150 mm～300 mm的間距進行設置，全橋測試斷面布設如圖2所示。鋼混疊合梁的內(nèi)部細構如圖3所示。

圖1 橋梁典型橫斷面圖

圖2 全橋測試斷面布設圖

圖3 鋼混疊合梁內(nèi)部結構

2 結構有限元分析

本項目采用MIDAS/Civil軟件建模進行模擬計算。采用梁格法建模，疊合梁、橫隔梁以及虛擬橫梁均采用梁單元模擬；鋼主梁與混凝土橋面板組合截面等效為鋼截面模擬，本文采用混凝土單軸受壓應力-應變關系模型，以及簡化后鋼材的應力-應變本構關系，以保證混凝土與等效后鋼梁變形相等，即變形前后構件的抗彎剛度相等為原則，進行截面等效，等效后鋼截面可視為均質各項同性彈性體；二期恒載根據(jù)橋梁設計鋪裝進行添加。添加邊界條件時固定端約束Dx，Dy，Dz，Rx，Rz，使之只能繞y軸轉動，可變端約束Dy，Dz，Rx，Rz，使之能繞y軸轉動和x方向移動。根據(jù)模型計算，該鋼混疊合梁橋一階豎向彎曲基頻為2.387 Hz，計算模型如圖4右側圖例所示。

圖4 第一階豎彎

為了驗證所建模型的正確性，本文采用初等梁理論計算的撓度和所建模型求解的撓度進行比較，具體過程如下：

初等梁理論的簡化計算圖如圖5所示。

圖5 初等梁理論加載圖

跨中撓度采用式(1)計算：

(1)

式中：f為簡支梁的撓度；F為跨中集中荷載，本文中取F=500 kN；E為換算截面的彈性模量；I為換算截面的慣性矩；L為簡支梁的跨徑。截面換算過程中將有效寬度內(nèi)混凝土橋面板的截面積等效成鋼梁上翼緣的截面面積的一部分，從而把研究對象等效為更利于分析的單一材料的鋼梁截面。此時E即為Q345D鋼板的彈性模量2.06×1011N/m2，I亦等于組合截面的慣性矩，通過MIDAS截面特性計算得I=0.735 m4。比較結果如表1所示。

MIDAS/Civil有限元撓度計算值如圖6右側的圖例所示。

表1 跨中撓度對比表 單位：mm

圖6 MIDAS/Civil有限元撓度計算值

通過對表1的數(shù)據(jù)分析，我們可以看出，撓度的MIDAS/Civil有限元計算值與初等梁理論計算值的誤差為3.0%，誤差在5%以內(nèi)，驗證了所建立有限元模型的正確性。

3 現(xiàn)場試驗與分析

3.1 試驗詳情

根據(jù)結構理論分析結果，在全橋布設3個控制斷面，測試行車激勵后結構基頻、阻尼比及動荷載作用下的沖擊系數(shù)。拾振器橋面布設如圖7所示，跨中動應變測點布置如圖8所示。

動載試驗采用一輛滿載40 t三軸重型貨車進行跑車試驗，分別以20 km/h、30 km/h、40 km/h、50 km/h的速度勻速通過測試橋跨，同時采集各測點的響應信號。

圖7 拾振器橋面布設圖

圖8 跨中動應變測點布置圖

3.2 結構自振特性分析

根據(jù)《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》[16](JTG/T J21-01—2015)中關于簡支梁橋自振特性測試階次的要求，本次試驗測試了該橋的一階自振頻率。本試驗采用了北京東方振動與噪聲技術研究所生產(chǎn)的INV1861A動態(tài)信號采集分析系統(tǒng).以跨中3#測點的振動信號為例，采用全程波形分析和車輛出橋后自由振動波形分析對結構基頻進行分析，車輛出橋的時間節(jié)點通過動應變時程曲線進行輔助判斷。

采用不同的數(shù)據(jù)后處理方式得出的測試頻率與理論值對比如表2所示。

通過測試數(shù)據(jù)的分析可以看出，行車激勵能夠有效的對被測橋梁起到激振作用，從而獲取更高信噪比的響應信號；在數(shù)據(jù)后處理時準確選取自由振動曲線進行頻譜分析是能否準確分析結構基頻的關鍵，這種分析方法能夠有效規(guī)避全程分析中車輛對結構自振特性的影響；激勵車速只用于保證車輛對結構的激振效果，不影響測試結果；橋梁實測自振頻率大于理論計算頻率，橋梁整體剛度較好.僅以該橋的測試結果來看，車輛低速通過橋梁時已經(jīng)能夠對橋梁起到有效的激振，且此時車輛的自振頻率與該橋梁自振頻率接近，他們之間發(fā)生振動耦合，車輛對橋梁自振特性的影響達到了最大化，而此時選用全程波形進行頻譜分析，其分析結果顯然是失真的，如表2所示；而當車輛以較高車速通過橋梁時，其自振頻率明顯大于橋梁自振頻率，對橋梁自振特性影響較小，此時選用全程波形分析亦能準確分析該橋的基頻。

表2 不同數(shù)據(jù)后處理方式下頻率實測值與理論值的對比

3.3 結構振型分析

結構振型通過布設在橋面兩側的拾振器頻響幅值進行擬合，如圖9所示。

圖9 一階振型擬合圖

由擬合圖形可見，橋梁實測振型與理論計算振型相符。

3.4 結構沖擊系數(shù)分析

本項目動應變的測試選取了主梁的跨中截面，在跨中鋼主梁底板布設動應變測點，采集不同行車速度下各測點的動應變時程曲線，選取各行車速度下動應變幅值最大的測點進行沖擊系數(shù)分析。分析圖譜如圖10所示。

圖10 動應變時程曲線圖

根據(jù)《公路橋涵設計通用規(guī)范》[17](JTG D60—2015)中關于沖擊系數(shù)的確定方法，當結構基頻1.5Hz≤f≤14Hz時，沖擊系數(shù)應按式(2)確定：

1+μ=1+0.1767lnf-0.0157

(2)

式中：f為結構基頻；1+μ為結構沖擊系數(shù)。

由式(2)計算可得結構沖擊系數(shù)為1.146。

不同車速下橋梁沖擊系數(shù)實測值與理論值見表3。

表3 不同車速下橋梁沖擊系數(shù)實測值與理論值的對比

從測試結果來看，結構實測沖擊系數(shù)值與行車激勵車速無顯著關系，行車速度為40km/h時的實測沖擊系數(shù)略大于理論值，為該橋重型貨車最不利的行車速度，其余車速下實測沖擊系數(shù)均小于理論值，說明該橋整體行車性能良好。

3.5 結構阻尼分析

阻尼比是表征橋梁結構耗散外部能量輸入能力的參數(shù)，阻尼比大，說明橋梁耗散外部能量輸入的能力強，反之亦然；但是，過大的阻尼比可能是橋梁結構存在開裂或支座工作不正常等現(xiàn)象引起，通常橋梁結構的阻尼比介于0.01～0.08之間。該橋阻尼比計算根據(jù)實測自由振動衰減曲線取值。

阻尼比計算按公式(3)：

(3)

式中：D為阻尼比；n為波數(shù)；Ai和Ai+n為n個波最初和最終的振幅。

不同激勵車速下的橋梁阻尼比見表4。

表4 不同激勵車速下實測橋梁阻尼比

從測試結果來看，實測橋梁阻尼比與激勵車速無顯著關系，該橋阻尼比介于0.011～0.014之間，在正常范圍內(nèi)，說明該橋無嚴重損傷，支座工作正常。

4 結 論

本文以該鋼混疊合梁橋為工程背景，對其動力參數(shù)進行了有限元分析，并采用行車激勵的方式對其動力性能進行了測試，采集分析了不同行車速度下結構的自振頻率、振型、沖擊系數(shù)及阻尼比，通過對比分析，得出以下結論：

(1) 行車激勵能夠有效的對被測橋梁起到激振作用，從而獲取更高信噪比的響應信號。

(2) 不同車速的行車激勵只是為了達到更好的激振效果，其車速與測試結果并無顯著關系。

(3) 在數(shù)據(jù)后處理時準確選取自由振動曲線進行頻譜分析可有效避免車橋耦合振動對測試結果的干擾。

(4) 該橋各動力參數(shù)測試結果無異常，橋梁結構動力性能良好，結構無較大損傷。

(5) 車速為40 km/h時實測沖擊系數(shù)略大于理論值，為該橋重型貨車的最不利車速。