車輛作用下大跨度連續(xù)梁橋動力特性分析

何思路

(閬中市公路管理養(yǎng)護局，四川閬中 637400)

預應力混凝土連續(xù)梁橋具有跨度大、主梁高度小、整體剛度大、外型美觀、伸縮縫少、行車舒適、易于養(yǎng)護等優(yōu)點，隨著懸臂澆筑法施工工藝的成熟以及施工機械的進步，預應力混凝土連續(xù)梁橋得到了越來越廣泛的應用。

預應力混凝土連續(xù)梁橋在使用過程中結構動力性能會有所變化，通過動力荷載試驗可以檢驗橋梁整體的動力性能，了解橋梁的實際工作狀態(tài)，因此，通過動載試驗對橋梁的運營承載能力進行評估越來越受到人們的重視。王德山[1]等人以某七跨連續(xù)梁橋為例，開展了荷載試驗，根據(jù)荷載試驗的實測結果確定連續(xù)梁橋的實際承載能力。孫韋[2]對陜西湯坪溝大橋進行了靜動力荷載試驗，分析了橋梁的承載能力和工作性能。黃利[3]等人通過某三跨變截面連續(xù)箱梁橋荷載試驗，分析了其整體受力狀況，評價了其使用功能，為工程竣工驗收提供了依據(jù)。李文華[4]根據(jù)模型試驗與有限元分析的方法，對某公路大橋的安全可靠性進行了詳細的論述。為了評定某座預應力連續(xù)箱梁橋的承載能力，段文杰[5]等人對其了動載試驗，并將動力試驗結果與相關規(guī)范進行了比較。

本文以五通岷江大橋為研究對象，設計了橋梁動載試驗，分別測試橋跨結構的自振特性值及動力響應。通過對阻尼比、頻率、沖擊系數(shù)進行對比討論，評估了橋梁結構的技術狀況和工作性能，總結了橋梁的自振特性以及在行車荷載下的動力響應規(guī)律。本次試驗研究結果可為同類型橋梁的研究提供參考。

1 工程背景

五通岷江大橋位于四川省樂山市五通橋區(qū)，跨越岷江，主橋全長360 m，橋面寬12.5 m，設計荷載等級為公路-II級。主橋結構為95 m+170 m+95 m三跨預應力連續(xù)箱梁橋，根部梁高10.2 m，跨中梁高3.8 m，兩端引橋均為多跨30 m跨度簡支 T 梁，主橋連續(xù)箱梁跨下部采用空心墩，引橋簡支梁跨下部結構均采用樁柱排架結構。主橋梁體混凝土強度采用C60混凝土；引橋梁體混凝土強度采用C50混凝土，橋臺、橋墩、蓋梁、系梁采用 C30 混凝土。主橋立面圖如圖1所示，根部箱梁截面如圖2所示。

圖1 主橋立面布置(單位:cm)

圖2 支座處箱梁截面(單位:cm)

2 動載試驗內(nèi)容

2.1 試驗工況

本研究動載試驗分為脈動試驗、無障礙行車試驗、跳車試驗三部分。

在脈動試驗中，在橋址處無規(guī)則振源、橋面上無交通的狀態(tài)下，測定由地脈動、風力等隨機荷載引起的橋梁結構微小激振響應，包括結構固有模態(tài)頻率、結構阻尼比等。

在無障礙行車試驗中，用1輛載重汽車以設定速度沿橋面中心線勻速通過，測得橋梁結構的應變時程曲線，計算沖擊系數(shù)，其中行車速度分別為5 km/h、10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h、50 km/h、60 km/h，具體行車試驗見圖3。

圖3 無障礙行車試驗示意

在跳車試驗中，將弓形障礙物設置在試驗截面處橋面上，模擬路面的局部損傷，用1輛載重汽車以設定速度沿橋梁中心線勻速通過，測得橋跨此時的應變時程曲線，計算橋梁結構在不良橋面狀態(tài)下的沖擊系數(shù)。其中行車速度為5 km/h、10 km/h、15 km/h、20 km/h，障礙物底寬30 cm、高7 cm，試驗方法見圖4。

圖4 有障礙行車試驗示意

2.2 測點布置

各測試截面、測點位置見圖5。應變測試截面分別位于中跨及邊跨跨中處，在每個測試截面處的梁體結構上布置兩個應變測點，位于箱梁底部。

(a)測試截面位置示意

2.3 試驗荷載

本次荷載采用軸距為3.80m+1.35m=5.15m的雙后軸載重貨車，全車重為350 kN。載重汽車示意圖如圖6。

圖6 加載汽車示意(單位：m)

3 試驗結果分析

3.1 結構自振特性

自振頻率fi對應的阻尼比Di利用根據(jù)頻譜分析得出的測點自功率譜圖進行估算，估算公式為：

式中：Bi為第i階自振頻率相應的半功率點帶寬，即0.707倍功率譜峰值所對應的頻率差。

主橋?qū)崪y自振頻譜圖見圖7。由頻譜圖可得主橋?qū)崪y一階自振頻率及阻尼比見表1。由表1可知，阻尼比的實測值為0.023，處在正常范圍，主橋豎向一階實測自振頻率為0.94 Hz，略高于頻率理論計算值，表明結構具有足夠的剛度。

圖7 主橋豎向一階實測自振頻譜

表1 結構自振頻率及阻尼比

3.2 行車激振試驗結果

應變沖擊系數(shù)(1+μ)根據(jù)動載試驗所測得的動應變時程曲線進行計算，計算公式為：

式中：Smax為在動力荷載作用下該測點最大應變值；Smean為根據(jù)動載響應時程曲線分析得到該測點在最大沖擊狀態(tài)下的平均值。

式中：Smin為與Smax相對應的最小應變值。

F-F、H-H截面的沖擊系數(shù)隨車速變化曲線見圖8。從圖8可以看出，無障礙行車時，F(xiàn)-F截面最小應變沖擊系數(shù)為1.05，最大應變沖擊系數(shù)為1.12；H-H截面最小應變沖擊系數(shù)為1.01，最大應變沖擊系數(shù)為1.09；有障礙行車時，F(xiàn)-F截面最小應變沖擊系數(shù)為1.34，最大應變沖擊系數(shù)為1.45；H-H截面最小應變沖擊系數(shù)為1.11，最大應變沖擊系數(shù)為1.27。與同類型橋梁相比，該橋跨結構的激振響應正常。

從圖8(a)、圖8(b)可以看出，無障礙行車中，當車速小于40 km/h時，相同車速下F-F截面的沖擊系數(shù)大于H-H截面的沖擊系數(shù)，且由于F-F截面、H-H截面分別位于中跨跨中及邊跨跨中，說明車輛對橋梁中跨的沖擊作用比邊跨更明顯；當車速大于40 km/h時，F(xiàn)-F截面的沖擊系數(shù)與H-H截面的沖擊系數(shù)相等，說明對于路面平順度較好的預應力混凝土連續(xù)梁橋，當車速超過某個限值時，車輛對橋梁的沖擊作用大小主要取決于車重及車速，與跨度大小關系不明顯。此外，無障礙行車時，F(xiàn)-F截面、H-H截面沖擊系數(shù)在40 km/h處出現(xiàn)峰值，分別為1.12和1.09，且與相鄰車速下的沖擊系數(shù)相差較大，可能是由于在該車速附近發(fā)生了共振現(xiàn)象。

從圖8(c)、圖8(d)可以看出，有障礙行車時，相同車速下 F-F截面沖擊系數(shù)大于H-H截面的沖擊系數(shù)，說明跳車對中跨的沖擊作用大于對邊跨的沖擊作用；隨著車速的增大，F(xiàn)-F截面的沖擊系數(shù)波動較小，H-H截面的沖擊系數(shù)整體呈現(xiàn)下降趨勢，說明當路面狀況較差時，低車速也能造成較大的沖擊作用。

將圖8(c)、圖8(d)與圖8(a)、圖8(b)進行對比，F(xiàn)-F截面有障礙行車作用下的最小沖擊系數(shù)為1.34，遠遠大于無障礙行車條件下的最大沖擊系數(shù)1.12；H-H截面有障礙行車作用下的最小沖擊系數(shù)也大于無障礙行車條件下的最大沖擊系數(shù)，說明與車速相比，路面平順度對車橋之間沖擊作用大小的影響更明顯。

(a)F-F截面無障礙行車

4 結論

(1)主橋?qū)崪y阻尼比為0.023，處在正常范圍；主橋豎向一階實測自振頻率為0.94 Hz，略高于頻率理論計算值，表明橋跨結構具有足夠的剛度。

(2)車輛對橋梁中跨的沖擊作用比邊跨更明顯；對于路面平順度較好的預應力混凝土連續(xù)梁橋，當車速超過某個限值時，車輛對橋梁的沖擊作用大小主要取決于車重及車速，與跨度大小關系不明顯。

(3)與車速相比，路面平順度對橋梁沖擊作用大小的影響更明顯；當路面狀況較差時，低車速也能造成較大的沖擊作用。