吳建奇，鄭 曉，張婷婷

(1.江西理工大學(xué) 環(huán)境與建筑工程學(xué)院，江西 贛州 341000;2.江西理工大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，江西 贛州 341000;3.山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，濟(jì)南 250101)

公路橋梁工程的動(dòng)載試驗(yàn)研究

吳建奇1，鄭 曉2，張婷婷3

(1.江西理工大學(xué) 環(huán)境與建筑工程學(xué)院，江西 贛州 341000;2.江西理工大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，江西 贛州 341000;3.山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，濟(jì)南 250101)

橋梁檢測(cè)是保證橋梁安全運(yùn)營(yíng)的重要手段。在所有橋梁檢測(cè)項(xiàng)目中，動(dòng)載試驗(yàn)?zāi)軌蛟u(píng)定橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性和車輛動(dòng)力荷載與橋梁結(jié)構(gòu)的聯(lián)合振動(dòng)特性，其測(cè)試數(shù)據(jù)是判斷橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)狀況和承載特性的重要指標(biāo)。本文結(jié)合西場(chǎng)溝橋梁檢測(cè)的實(shí)際案例，著重分析動(dòng)載試驗(yàn)的檢測(cè)內(nèi)容和安全鑒定，為以后橋梁檢測(cè)中的動(dòng)載試驗(yàn)提供一些參考。

橋梁檢測(cè) 動(dòng)載試驗(yàn) 自振 強(qiáng)迫振動(dòng)

橋梁的動(dòng)載試驗(yàn)是將動(dòng)荷載作用在橋梁的指定位置，測(cè)定橋梁結(jié)構(gòu)自振頻率、阻尼比和沖擊系數(shù)等，它是了解橋梁實(shí)際工作狀態(tài)和承載能力的直接手段。動(dòng)載試驗(yàn)可獲得一些理論上難以計(jì)算部位的受力狀態(tài)，判定橋梁的安全承載能力，還能夠發(fā)現(xiàn)一般檢查和檢測(cè)中難以發(fā)現(xiàn)的隱蔽病害。掌握被檢測(cè)橋跨結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)荷載作用下的實(shí)際工作性能，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)做出總體評(píng)價(jià)，為橋梁的維護(hù)、改建、加固提供依據(jù)。

西場(chǎng)溝中橋位于內(nèi)蒙古達(dá)拉特旗境內(nèi)，為德薩線(德勝西—薩拉齊)上的一座主要橋梁。該橋上部結(jié)構(gòu)為20 m預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，下部結(jié)構(gòu)為雙柱式墩，肋式臺(tái)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋梁的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是：①設(shè)計(jì)荷載：公路Ⅱ級(jí)汽車荷載;②橋面寬度：凈9.0 m+2×0.5 m;③設(shè)計(jì)洪水位：100年一遇;④抗震設(shè)防烈度：8度;⑤地質(zhì)情況：典型粉砂土地基。

1 動(dòng)載試驗(yàn)

眾所周知，當(dāng)外界的強(qiáng)迫振動(dòng)源，如風(fēng)、車輛等的頻率與橋跨結(jié)構(gòu)的自振頻率相等時(shí)，會(huì)引起過大的共振振幅從而危及橋梁的使用安全。當(dāng)車輛以某一速度通過橋面，產(chǎn)生的動(dòng)荷載的頻率趨近于橋梁結(jié)構(gòu)的自振頻率時(shí)，這時(shí)的車速稱為臨界車速。由臨界車速引起的共振會(huì)使橋梁產(chǎn)生過大的振幅和動(dòng)應(yīng)力，對(duì)橋梁的動(dòng)響應(yīng)造成擴(kuò)大效應(yīng)，在橋梁工程中，通常用沖擊系數(shù)來表示這種擴(kuò)大效應(yīng)。橋梁檢測(cè)的動(dòng)載試驗(yàn)，一般都是以測(cè)定橋梁的沖擊系數(shù)為主要工作?？偟膩碇v，橋梁的動(dòng)載試驗(yàn)一般包括以下內(nèi)容：①測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)在車輛荷載下的強(qiáng)迫振動(dòng)特性，如沖擊系數(shù)、強(qiáng)迫振動(dòng)頻率、動(dòng)位移和動(dòng)應(yīng)力等;②測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)的自振特性，如自振頻率、振型和阻尼特性等。

為進(jìn)行動(dòng)載試驗(yàn)，首先必須使橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)，然后通過儀器記錄下結(jié)構(gòu)的振動(dòng)時(shí)程曲線，再通過專門的FPT(快速傅立葉轉(zhuǎn)換)儀器，分析出結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)振動(dòng)特性。有兩種方法可模擬外界對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力激振，包括穩(wěn)態(tài)激振和脈動(dòng)激振：穩(wěn)態(tài)激振一般是使用一輛或多輛并行滿載車列以不同速度過橋或在橋上制動(dòng)，脈動(dòng)激振則一般直接利用外界隨機(jī)振源激振。

本文的橋梁檢測(cè)主要包括以下幾個(gè)方面內(nèi)容：①模態(tài)試驗(yàn)，當(dāng)橋面上無汽車行駛并且橋梁不受其他較大的(或者人為的)周期性干擾力時(shí)，在風(fēng)、地面微振等環(huán)境因素的作用下，橋梁在其固有頻率附近隨機(jī)振動(dòng)。因此，可以利用自然脈動(dòng)激勵(lì)橋梁，通過脈動(dòng)測(cè)試測(cè)量橋梁的響應(yīng)，分析橋梁的固有模態(tài)特性并且確定結(jié)構(gòu)的固有頻率。②跑車試驗(yàn)，橋上跑車試驗(yàn)主要是測(cè)試汽車在橋上通過時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)，以及激勵(lì)后(車輛通過后)振動(dòng)衰減情況。本文中以單輛車(300 kN)和兩輛并行的車以10～40 km/h的速度行駛過全橋，測(cè)量橋梁中跨跨中位置振動(dòng)響應(yīng)。③跳車試驗(yàn)，跳車試驗(yàn)要測(cè)試汽車跨過15 cm高跳板后制動(dòng)，測(cè)量此時(shí)橋跨結(jié)構(gòu)在附加汽車質(zhì)量情況下的衰減振動(dòng)，確定橋梁的沖擊系數(shù)，用以分析橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)性質(zhì)。本文中以單輛車(200 kN)在橋梁中跨跨中位置越過15 cm的木方，測(cè)量橋梁的振動(dòng)響應(yīng)，分析橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性。

2 動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果及分析

2.1 動(dòng)載性能評(píng)定依據(jù)

圖1 衰減曲線

2.2 模態(tài)試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

通過自然激勵(lì)響應(yīng)測(cè)得數(shù)據(jù)，經(jīng)模態(tài)辨識(shí)及理論計(jì)算，得到一階模態(tài)頻率和阻尼比系數(shù)，見表1。

表1 結(jié)構(gòu)一階模態(tài)動(dòng)力參數(shù)

2.3 跳車實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

經(jīng)過模態(tài)識(shí)別以及理論計(jì)算，得到第2孔試驗(yàn)數(shù)據(jù)，見表2。第2孔測(cè)試跳車引起的動(dòng)速度及動(dòng)撓度的信號(hào)見圖2和圖3。

表2 跳車引起的結(jié)構(gòu)動(dòng)力參數(shù)

圖2 第二孔跳車試驗(yàn)1/2跨波形

圖3 第二孔跳車試驗(yàn)蓋梁波形

2.4 跑車試驗(yàn)

跑車試驗(yàn)得到10 km/h，20 km/h，30 km/h和40 km/h速度時(shí)簡(jiǎn)支板跨中、1/4跨及蓋梁跨中截面動(dòng)撓度及動(dòng)速度豎向振動(dòng)響應(yīng)。由于篇幅原因，本文僅列舉30 km/h簡(jiǎn)支板跨中及蓋梁跨中截面動(dòng)速度及動(dòng)撓度的豎向振動(dòng)信號(hào)見圖4、圖5。

圖4 第二孔行車試驗(yàn)1/2跨波形(30 km/h)

圖5 第二孔行車試驗(yàn)蓋梁波形(30 km/h)

300 kN重的車輛以不同的速度行駛過跨中時(shí)所得的動(dòng)力相關(guān)系數(shù)如表3所示。

表3 第2跨跨中行車相關(guān)動(dòng)力參數(shù)

2.5 動(dòng)載試驗(yàn)的結(jié)果評(píng)定

1)該橋結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)頻率第4孔為2.89 Hz，與結(jié)構(gòu)一階頻率分析值3.0 Hz比較，實(shí)測(cè)值較小，說明橋梁結(jié)構(gòu)具有一定的剛度儲(chǔ)備。

2)動(dòng)力沖擊系數(shù)的實(shí)測(cè)值適中，說明結(jié)構(gòu)的行車性能較好，橋面平整程度較好。

3)根據(jù)實(shí)測(cè)加速度量值的大小，顯示該橋梁結(jié)構(gòu)的行車舒適性較好。

4)橋梁結(jié)構(gòu)的阻尼比在0.01～0.08之間，本次實(shí)測(cè)阻尼比為0.138 8，屬較大。說明該橋梁振動(dòng)衰減得較慢，結(jié)構(gòu)耗散外部能量輸入的能力較弱。

3 結(jié)語

橋梁檢測(cè)是一項(xiàng)復(fù)雜而細(xì)致的工作，要求檢測(cè)方案要盡量模擬真實(shí)荷載情況，檢測(cè)人員具有豐富的檢測(cè)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。近年來我國(guó)在橋梁檢測(cè)、評(píng)估方面逐漸積累豐富資料和經(jīng)驗(yàn)，橋梁工程的重點(diǎn)已逐步向橋梁的檢測(cè)維修與加固方面發(fā)展。

本文結(jié)合工程實(shí)際，討論了橋梁檢測(cè)中動(dòng)載試驗(yàn)檢測(cè)內(nèi)容和安全鑒定方法，并且給出了一些有意義的檢測(cè)準(zhǔn)則和參數(shù)，希望能夠?yàn)橐院蟮臉蛄簷z測(cè)工作提供一些經(jīng)驗(yàn)。

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U446

B

1003-1995(2011)03-0026-03

2010-09-15;

2010-12-02

江西省教育廳科技項(xiàng)目(GJJ10485;GJJ09252)。

吳建奇(1980— )，男，江西萍鄉(xiāng)人，講師，碩士。

(責(zé)任審編 趙其文)