陳朝輝 上海鐵路局工務(wù)處

振動測試法識別橋梁下部結(jié)構(gòu)損傷的研究

陳朝輝 上海鐵路局工務(wù)處

橋梁下部結(jié)構(gòu)是支撐上部結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件，是橋梁結(jié)構(gòu)的重要組成部分，提出采用振動法中振幅指標(biāo)和波形形態(tài)對橋梁下部結(jié)構(gòu)損傷進行判別，并利用在遭受船及洪水漂流物撞擊后三座橋梁的振動測試數(shù)據(jù)和一座受損橋墩橋梁振動波形圖，來說明利用振動法中的振幅指標(biāo)在大多數(shù)情況下可以方便、有效的評價橋梁下部結(jié)構(gòu)有無損傷，對行車安全有無影響。

橋梁下部結(jié)構(gòu)；振幅；波形形態(tài)；損傷；判別

1 概況

在橋梁檢測工作中，橋梁工作者往往注重對橋梁上部結(jié)構(gòu)的檢測工作，而忽視對橋梁下部結(jié)構(gòu)的檢測，在實際情況下，橋梁下部結(jié)構(gòu)由于受到水流沖刷、基礎(chǔ)部分弱化、地下水的侵蝕、材料性能退化，以及活載的增加及船只的撞擊，橋梁下部結(jié)構(gòu)或多或少的會出現(xiàn)一定的損傷。而橋梁下部結(jié)構(gòu)包括墩臺與基礎(chǔ)，是支撐上部結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件，若下部結(jié)構(gòu)狀態(tài)不良，即使上部結(jié)構(gòu)很好，整個橋梁的使用性能也會受到影響。采用傳統(tǒng)的檢測方法超聲波法和透射波法對橋墩結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷判定均有一定的局限性，國內(nèi)很多學(xué)者也采用實測自振特性（振型和頻率）與理論計算自振特性（振型和頻率）比較對橋墩損傷進行識別，通過敏感的振型參數(shù)的變化，可以判別出破損位置和程度，然而此種方法一要建立橋墩的合理計算模型要考慮樁和周邊土體的影響，比較復(fù)雜，二要在橋墩上沿墩高布置多個拾振器，測試條件也較繁瑣，因此此法不適合于工程應(yīng)用。本文主要介紹采用振動測試法中振幅指標(biāo)和波形形態(tài)對橋梁下部結(jié)構(gòu)損傷進行判別。

2 基本原理

用集中質(zhì)量法將橋墩離散成多自由度模型，則橋墩在列車荷載作用下的運動方程可寫成：。

式中，M為質(zhì)量矩陣，C為阻尼矩陣，K為剛度矩陣，U=[u1，u2，，，uN]T為結(jié)構(gòu)在列車荷載作用下的位移響應(yīng)，P=[p1，p2，，，pN]T為外力向量，U、P均為時間t的函數(shù)。

橋墩內(nèi)部損傷或基礎(chǔ)不良會引起K剛度矩陣的降低，假設(shè)M質(zhì)量矩陣和C阻尼矩陣不變，則當(dāng)P外力一定時，從而引起位移響應(yīng)U的改變。

3 工程實例

3.1 從振幅響應(yīng)最大值判別

根據(jù)理論分析和實際經(jīng)驗，當(dāng)橋墩的式樣，墩高，墩高，墩厚及樁長、基礎(chǔ)埋深等技術(shù)情況接近時，橋墩在列車荷載作用下的最大振幅響應(yīng)統(tǒng)計值也將接近，而一般情況下，鄰近橋墩的技術(shù)情況接近，從而我們可以測試在列車荷載作用下有可能受損的橋墩最大振幅響應(yīng)統(tǒng)計值與鄰近橋墩的最大振幅響應(yīng)統(tǒng)計值，將它們作對比來判別橋墩的受損情況。以下表1是三座橋梁的某個橋墩在遭受船及洪水漂流物撞擊后的用來判別其使用狀況的振動測試數(shù)據(jù)及測試結(jié)論。

表1 數(shù)座橋梁遭受船及洪水漂流物撞擊后測試情況

從以上表中各個橋梁實測數(shù)據(jù)對比可看出，利用過路列車作用下的振幅響應(yīng)最大值可以方便有效的判別橋墩的使用狀況。

3.2 從振動波形形態(tài)

當(dāng)過路列車以一定速度通過橋梁結(jié)構(gòu)時，正常橋墩振動時程曲線線形較平滑接近規(guī)則的正弦波形態(tài)，然而當(dāng)橋梁下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)在某一方向處出現(xiàn)損傷（墩身裂縫，基礎(chǔ)弱化、沖刷等）時，橋墩振動形態(tài)必然也發(fā)生改變，如振幅明顯增

大，波形出現(xiàn)鋸齒狀波形，有明顯的二次周期，出現(xiàn)了低頻信號，波形中心連線與記錄中心軸線之間有偏離等。

京九線683#新集中橋在京九線電化改造開挖施工時，發(fā)現(xiàn)該橋上下行橋墩墩身與承臺結(jié)合處均存在水平環(huán)向裂縫，遂對通過該橋貨車限速45km/h，并對其進行振動測試，在橋墩墩頂布置了橫、縱、豎向拾振器，測試結(jié)果為橋墩橫向最大振幅稍稍超出《橋檢規(guī)》通常值規(guī)定，圖1為橋墩墩身與承臺結(jié)合處均存在水平環(huán)向裂縫病害圖，圖2為過路貨車以42km/h通過橋梁時截取的尾部振動波形圖。

圖1 墩身與承臺結(jié)合處存在水平環(huán)向裂縫

圖2 貨車（42km/h）通過時截取的尾部振動波形圖

從圖2貨車以42km/h通過時截取的尾部振動波形圖可以看出，橋墩的縱向和豎向振幅都出現(xiàn)了極不規(guī)則的振動波形，波形中都有很多高頻成分，且當(dāng)列車出橋后，縱向和豎向振幅并未明顯衰減，波形中都出現(xiàn)了頻率為1Hz左右的低頻波，表明橋墩下部結(jié)構(gòu)或基礎(chǔ)已出現(xiàn)了較嚴(yán)重的損傷，與現(xiàn)場開挖橋墩墩身與承臺結(jié)合處均存在水平環(huán)向裂縫情況相對應(yīng)。

4 結(jié)論與展望

利用振動法中的振幅指標(biāo)在大多數(shù)情況下可以方便、有效的評價橋梁下部結(jié)構(gòu)有無損傷（特別是使用年代已久的橋墩和受撞擊橋墩），橋墩狀態(tài)對行車安全有無影響。然而當(dāng)可能受損橋墩與鄰近橋墩技術(shù)狀況差異較大或者可能受損橋墩與鄰近橋墩都有病害的情況，該法就不適用了。這時假如制定了墩臺基礎(chǔ)的固有頻率標(biāo)準(zhǔn)值和以之為基礎(chǔ)的判斷基準(zhǔn)，那就可以通過振動法中實測自振頻率指標(biāo)和基準(zhǔn)值的比較，對墩臺及其基礎(chǔ)進行狀態(tài)評定。

[1]鐵運函[2004]120號,鐵路橋梁檢定規(guī)范[S].

[2]戰(zhàn)家旺，夏禾，姚錦寶.既有橋梁墩臺自振頻率測試的沖擊振動試驗法.北京交通大學(xué)學(xué)報，2005,（02）：14-17.

[3]周海林,王星華.橋墩病害動力測試分析.中國鐵道科學(xué)，2001，（10）：128-132.

[4]韓之江，王易陽，呂立寧.橋梁墩柱損傷動力測試分析及評價.四川理工學(xué)院學(xué)報，2013,（2）：51-54.

[4]朱稀，朱東生.診斷橋墩損傷參數(shù)識別法的研究.蘭州鐵道學(xué)院，1995，14（1）：1-7.

責(zé)任編輯：宋飛 朱繼東

來稿時間：2014-7-23