基于動撓度和動應(yīng)變下多跨連續(xù)箱梁橋沖擊系數(shù)特征及偏差成因分析

■溫龍輝

（1.福建省高速技術(shù)咨詢有限公司，福州 350001；2.福建省高速公路工程重點(diǎn)實(shí)驗室，福州 350001）

橋梁結(jié)構(gòu)位移及內(nèi)力研究中發(fā)現(xiàn)，一定的車速會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動，車輛活載作為主要激勵相較于同等靜力荷載作用效果愈加明顯[1]。 該振動現(xiàn)象源于橋梁結(jié)構(gòu)與車輛雙系統(tǒng)的相互作用，涉及因素包括系統(tǒng)自身的動力特性、橋面平整度及車輛運(yùn)行狀況等[2-3]。 沖擊系數(shù)μ 是設(shè)計公路橋梁[4]過程中的參數(shù)， 用于求解汽車荷載作用橋梁結(jié)構(gòu)的沖擊力，該沖擊力值等于車輛荷載與沖擊系數(shù)μ 的積，汽車荷載的總效應(yīng)等于（1 +μ）乘以車輛荷載[5]。 參照國內(nèi)外有關(guān)動載試驗確定橋梁沖擊系數(shù)的試驗，影響沖擊系數(shù)因數(shù)較多[6-8]。

目前采集沖擊系數(shù)可以運(yùn)用動撓度和動應(yīng)變2種常見的方式。 動擾度是對橋梁剛度最為實(shí)時的反應(yīng)，是橋梁監(jiān)測的重要參數(shù)，也是橋梁安全評價和健康監(jiān)測的重要指標(biāo)。 鑒于動擾度數(shù)據(jù)的獲取易受限于采集方法、儀器設(shè)備的靈敏度與監(jiān)測場地環(huán)境狀況等因素，特別對于大跨度、高凈空的橋梁由于無法搭設(shè)穩(wěn)定的支架導(dǎo)致采集受限。 對于無法進(jìn)行動擾度測試的橋梁，動應(yīng)變也可作為評價汽車動荷載對橋梁的沖擊作用的測試方法。

本研究從一座連續(xù)箱梁橋選取出試驗跨，展開動態(tài)應(yīng)變和動態(tài)撓度實(shí)測試驗，解析結(jié)構(gòu)的動力特征，對沖擊系數(shù)的偏差進(jìn)行分析。

1 橋梁工程概況

福建某高速A 匝道3 號橋， 橋梁總長99.5 m，橋?qū)?7.351～18 m。 上部結(jié)構(gòu)采用3×16 m+3×16 m連續(xù)現(xiàn)澆箱梁，下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩配鉆孔灌注樁基，起點(diǎn)臺采用柱式臺配鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。 起點(diǎn)臺處設(shè)置D-80 伸縮縫， 交接墩3#、6# 設(shè)D-80 伸縮縫；設(shè)計荷載：公路-I 級（圖1～2）。

圖1 橋型布置圖

圖2 上部結(jié)構(gòu)橫斷面圖

2 有限元模態(tài)及沖擊系數(shù)特性分析

2.1 結(jié)構(gòu)計算及模態(tài)分析

采用橋梁專業(yè)有限元軟件Midas/Civil 對該橋上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模分析。 箱梁混凝土采用C50 混凝土， 其相應(yīng)的彈性模量E=3.45×104MPa，容重γ=26 kN/m3。采用設(shè)計荷載：公路-I 級。有限元模型見圖3。

圖3 有限元模型（梁格法）

利用程序動力方程式求解出橋梁動力特性，求解特征值與特征向量，該結(jié)構(gòu)前各階自振頻率及其對應(yīng)的振型，豎向第1 階模態(tài)參數(shù)理論值8.62 Hz、豎向第2 階模態(tài)參數(shù)理論值10.33 Hz（圖4）。 根據(jù)JTG D60-2015《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》橋梁結(jié)構(gòu)基頻f=8.62 Hz 時，規(guī)范計算沖擊系數(shù)值μc=0.365。

圖4 豎向?qū)崪y和計算振型圖

2.2 橋梁動載試驗

試驗選取2 輛總重約420 kN 的車， 以不同車速并保持勻速同向駛過橋跨結(jié)構(gòu)。 參考匝道橋具體情況，分別將機(jī)車速度設(shè)置為5、10、20 km/h。 試驗車在行駛時對橋面作用了沖擊力，進(jìn)而導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)振動。 選取出橋跨結(jié)構(gòu)合適的主要控制截面測點(diǎn)， 利用動力測試系統(tǒng)持續(xù)測定目標(biāo)點(diǎn)振動值，形成振動曲線圖，解析出結(jié)構(gòu)處于受迫振動下的頻率等相關(guān)系數(shù)。

通過橋梁動態(tài)應(yīng)變采集模塊測定橋梁在行車沖擊作用下的動應(yīng)變等參數(shù)。 同時采用多點(diǎn)動態(tài)位移檢測系統(tǒng)測定橋梁在行車沖擊作用下的動撓度參數(shù)，試驗中選擇第4 跨主梁梁底布置動力響應(yīng)（動應(yīng)變和動撓度相同）測點(diǎn)。 布置見圖5 和圖6。

圖5 動載試驗動力響應(yīng)測試截面布置圖

圖6 動載試驗截面動撓度測和動應(yīng)變點(diǎn)布置圖

本試驗選擇相同時間、相同部位、采用不同的設(shè)備采集橋梁的動應(yīng)變和動撓度數(shù)據(jù)信號，分析計算在不同車速狀況下橋跨結(jié)構(gòu)的沖擊系數(shù)（圖7）。試驗現(xiàn)場采集儀器參數(shù)見表1。

圖7 采集現(xiàn)場圖片

表1 試驗現(xiàn)場采集儀器參數(shù)

2.3 動應(yīng)變下沖擊系數(shù)特性分析

橋梁結(jié)構(gòu)沖擊系數(shù)實(shí)測結(jié)果見表2，可以看出各跑車工況下， 邊跨最大正彎矩D-D 截面實(shí)測沖擊系數(shù)在0.099～0.112， 均小于理論計算沖擊系數(shù)值μc=0.365。 各行車速度下測點(diǎn)的動應(yīng)變時程曲線見圖8。

表2 橋梁結(jié)構(gòu)沖擊系數(shù)實(shí)測結(jié)果

圖8 第4 跨正彎矩截面測點(diǎn)實(shí)測動應(yīng)變時程響應(yīng)曲線

2.4 動撓度下沖擊系數(shù)特性分析

橋梁結(jié)構(gòu)沖擊系數(shù)實(shí)測結(jié)果見表3，可以看出各跑車工況下， 邊跨最大正彎矩D-D 截面實(shí)測沖擊系數(shù)在0.130～0.166，均小于理論計算沖擊系數(shù)值μc=0.365。各行車速度下測點(diǎn)的動撓度時程曲線見圖9。

圖9 第4 跨正彎矩截面測點(diǎn)實(shí)測動撓度時程響應(yīng)曲線

表3 橋梁結(jié)構(gòu)沖擊系數(shù)實(shí)測結(jié)果表

3 沖擊系數(shù)結(jié)果偏差及成因分析

（1）基于動撓度和動應(yīng)變采集分析得到橋梁結(jié)構(gòu)的沖擊系數(shù)均小于理論計算值，且實(shí)測值與理論值相差較大，說明橋梁結(jié)構(gòu)整體剛度和行車性能較好，此橋的安全儲備較高。 （2）從此次橋梁動載試驗結(jié)果可知，動撓度和動應(yīng)變下實(shí)測的結(jié)果與理論值均有較大偏差，造成上述結(jié)果的可能原因有：①測試環(huán)境影響，動應(yīng)變?nèi)菀资墉h(huán)境溫度的影響，橋梁撓度檢測儀容易受風(fēng)速、儀器支架穩(wěn)定性的影響；②跑車荷載等級影響，不同荷載的汽車對橋梁的沖擊系數(shù)也會發(fā)生變化，規(guī)范中顯示，沖擊系數(shù)關(guān)聯(lián)的計算式是建立在概率統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，結(jié)合了各種情況給出沖擊系數(shù)近似結(jié)果，并沒有明確給出跑車荷載的影響；③車輛與橋梁的耦合作用對沖擊系數(shù)的影響也較明顯，一旦車輛、橋梁間相應(yīng)的耦合作用出現(xiàn)變化，得到的橋梁沖擊系數(shù)就相繼出現(xiàn)變化。（3）跑車速度對沖擊系數(shù)測試結(jié)果有影響。本次橋梁動載試驗的5～20 km/h 不同駕駛速度的實(shí)驗車工作時，車速的不同，沖擊系數(shù)結(jié)果亦產(chǎn)生明顯差異。 當(dāng)車速逐漸增至較大值時，跑車系統(tǒng)的振動幅度有明顯增大，橋梁所受激勵力繼而增大，但與此同時降低了橋梁系統(tǒng)與跑車系統(tǒng)之間的接觸時長，結(jié)構(gòu)振動儲蓄的能量相對縮減，沖擊系數(shù)隨之減小。 （4）受匝道橋影響，此次跑車速度均為低速，采得沖擊系數(shù)難以較精準(zhǔn)反映橋梁系統(tǒng)動力特性。數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，處于中等車速時，橋梁由車輛導(dǎo)致的沖擊振動易出現(xiàn)峰值[5]。 （5）試驗中對比實(shí)測動撓度和動應(yīng)變下橋梁結(jié)構(gòu)的沖擊系數(shù)，動撓度下沖擊系數(shù)值均大于動應(yīng)變下沖擊系數(shù)值，說明動撓度下采得的沖擊系數(shù)值比較接近于理論值。 這是由于結(jié)構(gòu)整體變形量體現(xiàn)于動擾度，結(jié)構(gòu)局部的效應(yīng)體現(xiàn)于動應(yīng)變，通過局部效應(yīng)指標(biāo)調(diào)整整體效應(yīng)指標(biāo)的方法有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

橋梁沖擊系數(shù)的影響因素眾多，若要合理且全面地解答沖擊系數(shù)難題，仍需深化問題并探索解決方案，在此就橋梁動載試驗給出幾點(diǎn)建議：（1）橋梁動載試驗中，動力特性沖擊系數(shù)采集優(yōu)先選用動撓度方法；（2）依據(jù)《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》無障礙跑車試驗：宜在5～80 km/h 范圍內(nèi)取多個大致均勻分布的車速進(jìn)行行車試驗；（3）動載試驗采用的加載車輛的荷載等級可以多樣，且每種等級車輛應(yīng)進(jìn)行2～3 次重復(fù)試驗。