王兆斌

(山西省孝義市公路管理段，山西孝義032300)

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，公路貨運量大幅增長，交通流密度及車輛載重越來越大，致使部分公路橋梁不滿足使用要求，制約了社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展［1］.橋梁結(jié)構(gòu)的動力荷載試驗是評判橋梁承載能力和運營狀況的有效手段之一［2］.橋梁動力荷載試驗基于結(jié)構(gòu)固有模態(tài)參數(shù)的檢測，分析橋梁結(jié)構(gòu)自振特性和車輛動力荷載與橋梁結(jié)構(gòu)聯(lián)合振動特性，可較準(zhǔn)確計算出橋梁現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)安全狀況和承載能力，為公路橋梁的運營養(yǎng)護(hù)管理提供重要理論依據(jù)［3-6］.以動力荷載的試驗方法對山西省某八跨簡支預(yù)應(yīng)力空心板梁橋?qū)嶓w檢測，分析其整體動力性能，對提高橋梁的安全性具有重要現(xiàn)實意義.

1 工程概況

該橋建于1995年4月，橋梁全長143 m，上部結(jié)構(gòu)為八跨簡支預(yù)應(yīng)力空心板，橫向分布13塊板，每跨橋長16 m.橋面寬度凈15 m(行車道)+2×0.5 m(護(hù)欄)，橋?qū)?6 m.下部結(jié)構(gòu)為樁柱式橋墩，基礎(chǔ)橋臺為重力式橋臺.設(shè)計荷載:公路－Ⅰ級.

2 動載試驗

橋梁動力荷載試驗是指橋梁在實際的動荷載作用下，測定橋梁結(jié)構(gòu)振幅、動應(yīng)力、加速度以及沖擊系數(shù)等動力響應(yīng)，這些參數(shù)反映了橋梁結(jié)構(gòu)在動荷載作用下的受力狀態(tài)及動力作用對駕駛員、乘客及行人舒適性的影響.把實測數(shù)據(jù)信號進(jìn)行處理分析，可揭示橋梁結(jié)構(gòu)振動的內(nèi)在規(guī)律，綜合評價橋梁結(jié)構(gòu)的動力性能.

2.1 動載試驗設(shè)計

根據(jù)實地交通調(diào)查，結(jié)合常規(guī)檢查及無損檢測結(jié)果，選擇確定該橋第三跨作為檢測橋跨進(jìn)行動力荷載試驗.動載試驗工況見表1，傳感器測點布置如圖1所示.

表1 動載試驗工況表

圖1 第三跨傳感器測點布置(單位:cm)

1)脈動試驗

脈動試驗是指橋梁只受環(huán)境和大地激勵下產(chǎn)生微弱振動，通過橋上布置的高靈敏度傳感器記錄橋梁的振動情況，經(jīng)動力分析計算出結(jié)構(gòu)的豎向自振頻率.

2)跑車試驗

跑車試驗是指試驗車以不同行駛速度通過橋梁，使橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度的強(qiáng)迫振動，車輛產(chǎn)生的激振力頻率會與橋梁結(jié)構(gòu)的某階固有頻率比較接近，橋梁結(jié)構(gòu)在該頻率下會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，此時橋梁各部位的振動響應(yīng)達(dá)到最大.在車輛駛離橋跨后，橋梁作自由衰減振動，通過檢測的波形曲線得到橋梁的動力特性.試驗載重汽車在工況二、三下分別以20 km/h、30 km/h的車速勻速駛過橋梁，以測定橋梁在不同行車速度下試驗截面的動力響應(yīng)時程曲線.跑車試驗實景圖如圖2所示.

圖2 跑車試驗實景

2.2 沖擊系數(shù)的確定

動荷載沖擊系數(shù)是指結(jié)構(gòu)的動撓度與靜撓度的比值.撓度反映了橋跨結(jié)構(gòu)的整體變形，是衡量結(jié)構(gòu)剛度的主要指標(biāo)，因此活載沖擊系數(shù)綜合反映了荷載對橋梁的動力作用.通過工況二、三跑車試驗記錄的跨中撓度時程曲線等數(shù)據(jù)，沖擊系數(shù)可由式(1)計算得到:

式中:Ydmax為動載作用下該測點最大撓度值，即最大波峰值;Ydmean為相應(yīng)的靜載作用下該測點最大撓度值，其值可由動撓度曲線求得(即本次波形的振幅中心軌跡線頂點值)，公式為

式中:Ydmax為動載作用下該測點最大撓度值，即最大波峰值;Ydmin為動載作用下相應(yīng)的最小撓度值，即同周期波谷值.

3 試驗數(shù)據(jù)分析

3.1 脈動試驗

脈動試驗中傳感器采集的測點數(shù)據(jù)時程曲線見圖3，頻率計算結(jié)果如圖4所示.

由圖3可見該橋平均脈動加速度為0.013 mm/s2，在81 s時加速度達(dá)最大值0.14 mm/s2，表明該橋自身振動情況較小.通過對圖3所示的測點加速度時程曲線進(jìn)行傅里葉變換，得到各個測點的位移功率譜，并對其寬帶隨機(jī)響應(yīng)相關(guān)分析得到相關(guān)功率譜，進(jìn)行譜分析，并通過模態(tài)識別分析得到圖4所示的試驗橋跨實測豎向一階頻率圖.

圖3 脈動試驗測點加速度時程曲線

圖4 脈動試驗測點傅里葉變換頻率

當(dāng)外界環(huán)境和大地對橋梁產(chǎn)生的振動頻率與結(jié)構(gòu)的固有頻率接近時，結(jié)構(gòu)此時的振幅達(dá)到最大值，振幅最大波峰處的頻率即可視為結(jié)構(gòu)的固有頻率.從圖4可知，該橋在振幅達(dá)最大值0.25 mm時對應(yīng)的頻率即為該橋的固有頻率8.326 Hz.該橋理論一階頻率為4.822 Hz，自振頻率實測值均大于理論值，根據(jù)規(guī)范［7］要求，該橋在外界自然因素作用下不會產(chǎn)生共振，橋梁結(jié)構(gòu)整體動剛度處于較好狀態(tài)，有較強(qiáng)的抗沖擊性能，結(jié)構(gòu)動力特性能滿足設(shè)計要求.

3.2 跑車試驗

20 km/h跑車試驗采集的動撓度時程曲線見圖5，頻率計算結(jié)果如圖6所示.

圖5 20 km/h跑車試驗動撓度時程曲線

30 km/h跑車試驗采集的動撓度時程曲線見圖7，頻率計算結(jié)果如圖8所示.

根據(jù)沖擊系數(shù)的計算方法，該橋沖擊系數(shù)計算結(jié)果見表2.

圖6 20 km/h跑車試驗頻率計算結(jié)果

圖7 30 km/h跑車試驗動撓度時程曲線

圖8 30 km/h跑車試驗頻率計算結(jié)果

表2 跑車試驗結(jié)果表

根據(jù)跑車試驗采集的動撓度時程曲線圖5、7可知，該橋在364 s時動撓度達(dá)到最大值0.29 mm，此時車輛運行速度為30 km/h.把跑車條件下測點的動撓度時程曲線經(jīng)傅里葉變換，得到該橋在20、30 km/h車速下橋梁頻率在9.2～9.7 Hz之間.該橋理論一階頻率為4.822 Hz，跑車條件下該橋頻率實測值均大于理論值，表明該橋結(jié)構(gòu)在車輛荷載作用下出現(xiàn)共振的幾率很小.根據(jù)沖擊系數(shù)的計算方法可得該橋動力增大系數(shù)在1.376～1.386之間，沖擊系數(shù)在行車速度為30 km/h時達(dá)最大值0.386，規(guī)范［7］規(guī)定，該橋沖擊系數(shù)滿足使用要求，表明橋梁自身動力特性較好，有較強(qiáng)的抗沖擊性能，車輛動荷載對該橋的動態(tài)影響較小.

4 結(jié)論

通過采用動力荷載試驗法對山西省某預(yù)應(yīng)力空心板簡支梁大橋進(jìn)行了實地動力荷載檢測試驗，把采集的測點時程曲線等試驗數(shù)據(jù)運用傅里葉變換分析法進(jìn)行分析，得到該橋豎向一階頻率為8.326 Hz，自振頻率實測值大于理論值4.822 Hz，表明橋梁結(jié)構(gòu)整體剛度滿足設(shè)計要求，具有一定的安全儲備;通過工況二、三的跑車試驗，得到該橋在跑車條件下的頻率值和沖擊系數(shù)，并分析出該橋在行車速度為30 km/h時沖擊系數(shù)達(dá)最大值0.386，滿足規(guī)范要求，說明該橋的動力特性較好，有較強(qiáng)的抗沖擊性能，為橋梁安全研究提供了一種新的思路.

［1］張英蘭.橋梁動載試驗的作用與發(fā)展前景［J］.公路，2002(9):32-35.

［2］王自彬，岳渠德，趙金環(huán)，等.動力荷載試驗在橋梁檢測評估中的應(yīng)用［J］.青島理工大學(xué)學(xué)報，2007，28(1):14-16.

［3］李國豪.橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動［M］.中國鐵道出版社，1992(10):265-268.

［4］歐陽政偉，余志武，蔣麗忠，等.異型鋼一預(yù)應(yīng)力混凝土疊合板組合箱梁橋成橋試驗［J］.長沙鐵道學(xué)院學(xué)報，2003，21(2):50-55.

［5］MAECK J，ABDEL W M，PEARTERS B，et al.Damage identification in reinforced concrete.Structures by Dynamic Stiffness Determination［J］.Engineering Structures，2000，22(10):1339-1349.

［6］宋一凡.公路橋梁荷載試驗與結(jié)構(gòu)評定［M］.北京:人民交通出版社，2002.

［7］中華人民共和國交通部.公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范(JTG D60—2004)［S］.北京:人民交通出版社，2004.