牛 亮

(貴州大學土木建筑工程學院 貴州 貴陽：550025)

0 引言

隨著我國交通建設的迅速發(fā)展， 交通運輸量大幅度提升，橋梁建設也越來越多，橋梁損傷也越來越大，因此，橋梁結構檢測技術作為橋梁檢測的一部分，也得到大力發(fā)展，動載試驗就是其中一種比較復雜比較精細客觀的方法，它基本都是采用跑車、剎車、跳車等試驗方法，判斷橋梁結構的實際承載能力與動力特性等是否滿足設計要求，并為以后的運營養(yǎng)護工作提供依據(jù)。實驗過程中每個環(huán)節(jié)的技術要點都不能疏忽，一點的小疏忽就可能引起承載力和動力特性的大偏差，從而造成大事故。作者通過此次橋梁檢測項目，對動載試驗技術要點做了詳細說明，目的在于使橋梁動載試驗技術更為全面，更為科學。

1 工程概況

洋渡橋位于貴州省遵義市正安縣境內，橋型布置為2m×20m預應力空心板+30mT梁+20m預應力混凝土空心板橋，結構簡支，橋面連續(xù)，雙柱式橋墩，橋臺為U型重力式橋臺，兩岸橋臺設置伸縮縫。設計荷載：汽車荷載為公路II級，人群設計荷載為3kN/m2；橋面凈寬：凈7m+2×0.75m。

2 橋梁動載試驗原理

橋梁動載試驗是一種利用大型車輛振動橋梁的方法，在橋梁結構的震動下來測定橋梁的各種動力特性以及橋梁結構在振動動載作用下的強迫振動響應，包括動應力、動位移以及沖擊系數(shù)等，通過這些參數(shù)來判斷橋梁結構的整體性剛度和行車性能情況。

圖1 洋渡橋立面圖(單位：cm)

圖2 洋渡橋T梁橫斷面圖

3 動載試驗技術要點

3.1 橋梁試驗的作用及主要目的

在新建橋梁的檢測試驗中，一般用30-35噸載重車輛由不同車速駛過橋梁，速度由低到高，在行駛過程中，車輛產生的動力將產生不同程度的強迫振動，在進行多次動載試驗中，當某一行駛速度產生的振動頻率與結構的固有頻率接近時，結構將產生共振現(xiàn)象，此時橋梁結構各個部位的振動相應值達到最大，當載重車輛駛離橋跨以后，橋結構將作自由衰減振動，此時，我們可以通過記錄橋梁的波形曲線分析得出橋梁結構的動力特性參數(shù)等，如：橋梁的動態(tài)撓度、振幅、頻露以及沖擊系數(shù)等，通過上述分析，可以對橋梁的動態(tài)特征做出評價。

根據(jù)不同的試驗目的，一般橋梁的動載試驗主要解決以下三類問題：

(1)測定橋梁結構的動力特性，如自振頻率、阻尼比、振型等結構模態(tài)參數(shù)；

(2)測定橋梁結構在動荷載作用下的強迫振動響應，如橋梁結構的、動應力、動位移、沖擊系數(shù)等指標；

(3)測定荷載的動力性能：橋梁結構產生振動作用力的大小、方向和作用規(guī)律。本次動力荷載試驗主要解決的是自振頻率，強振頻率及沖擊系數(shù)。

3.2 試驗內容及方法

目前橋梁的動載實驗目前主要包括橋梁某斷面上的動應變或者某指定點的動撓度，還有橋梁結構的自振特性和動力響應。本橋梁檢測主要包括以下具體內容：

(1)第1跨、第3跨、第4跨脈動試驗：主要是在橋面無交通荷載以及橋址附近無規(guī)則振源的情況下實施，通過測定橋跨結構由于橋址處風荷載、地脈動和水流等隨機荷載激振而引起的橋跨結構微幅振動響應，經分析確定橋跨結構固有振動特性。

(2)第1跨、第3跨剎車試驗：采用一輛載重汽車進行單車剎車，試驗車輛以20km/h的速度通過橋梁的控制截面時進行緊急剎車，測試剎車狀態(tài)下橋梁的振動頻率。

(3)第1跨、第3跨跑車測試：采用一輛載重汽車進行單車跑車，試驗車輛分別采用10km/h、20km/h、30km/h速度通過橋梁的控制截面。

測試方法：

(1)測試系統(tǒng)如圖3所示：

圖3 東華測試系統(tǒng)示意圖

(2)測試方法

將傳感器置于橋面測點上，由其拾取橋梁結構在大地脈動作用下的振動響應。利用動態(tài)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，由筆記本電腦記錄橋跨結構的振動響應信號及動應變數(shù)據(jù)，使用專用分析軟件處理所測得的數(shù)據(jù)。

3.3 試驗結果及分析

3.3.1 振動頻率分析

該橋理論計算一階豎向振型如圖4所示。根據(jù)理論計算及脈動測試可以得測試跨的固有頻率。

圖4 理論計算一階振型

洋渡橋各動載測試工況下的實測頻率見表1：

表1 橋梁動載實測頻率成果表(單位：Hz)

洋渡橋第1跨、第4跨的理論計算一階固有頻率為5.18Hz，第1跨、第4跨的實測頻率均大于理論計算頻率；第3跨的的理論計算一階固有頻率為4.78Hz，第3跨的實測頻率大于理論計算頻率；以上頻率測試結果說明該橋測試跨整體剛度較好。

3.3.2 沖擊系數(shù)分析

活載沖擊系數(shù)可以根據(jù)控制截面測點在跑車試驗時記錄的動撓度或動應變曲線進行分析處理而得，計算公式可按下式(1)和式(2)所示進行計算。

(1)

式中：ymax——動載作用下該測點最大應變(或撓度)值；ymean——相應的靜載作用下該測點最大應變值(或撓度)值，其值可由動應變(或動撓度)曲線求得：

(2)

其中：ymax——相應的最大應變(或撓度)值；ymin——相應的最小應變(或撓度)值。

洋渡橋第1跨、第3跨跑車工況下的實測沖擊系數(shù)見表2：

表2 橋梁實測沖擊系數(shù)成果表

根據(jù)規(guī)范要求，沖擊系數(shù)理論值μ可按下列規(guī)定計算：

當f<1.5Hz時，μ=0.05

當1.5Hz≤f≤4Hz時，

μ=0.1767 lnf-0.0157

當f>14Hz時，μ=0.45

根據(jù)洋渡橋第1跨實測基頻(6.93Hz)按上述公式計算，得到第1跨理論沖擊系數(shù)μ=0.326；根據(jù)洋渡橋第3跨實測基頻(5.27Hz)按上述公式計算，得到第3跨理論沖擊系數(shù)μ=0.278。實測沖擊系數(shù)均小于理論計算沖擊系數(shù)。

以下給出各測試工況的實測動應變時程曲線，詳見圖5～7。

圖5 第3跨10km/h跑車實測動應變曲線

圖6 第3跨20km/h跑車實測動應變曲線

圖7 第3跨30km/h跑車實測動應變曲線

3.4 動載試驗結論

通過對洋渡橋的動載試驗結果分析，得到如下結論：

(1)該橋在通行時速30km/h的試驗車輛時實測動力系數(shù)達到最大，最大動力系數(shù)值第一跨為0.326，第三跨為0.278，《滿足大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》中的規(guī)定。

(2)根據(jù)脈動、跳車、剎車試驗的測試數(shù)據(jù)，獲得該橋第1、3跨的自振、強迫振動頻率、沖擊系數(shù)。該橋各工況實測頻率值均大于理論計算值，表明該橋的整體實際剛度滿足設計要求。

4 討論與建議

橋梁動載試驗在試驗過程中還是存在一些局限性，有待進一步解決。

(1)橋梁是由多種材料，各種不同結構組合而成的一個大型的綜合結構，系統(tǒng)的各個結構的應力狀態(tài)、動力特性、剛度等相差很大，籠統(tǒng)的用一些單一的動力特性指標去評估整個橋梁結構的狀態(tài)，筆者覺得是難以達到預期效果的。

(2)測量設備不完善和測量精度不足。運用電子計算機等現(xiàn)代化儀器設備，對數(shù)據(jù)進行采集和分析，可以提高試驗結果的科學性與可靠性。

(3)環(huán)境等因素對橋梁結構的動力特性影響較大。在測試記錄過程中，動載試驗的影響因素比較多，必需注意在不同工況中抓住主要測試內容，如在記錄結構動態(tài)響應的完整性時，重點是記錄信號的完整性，要能圖一時方便，隨意縮短試驗過程與時間等。

(4)車輛的控制，要協(xié)助駕駛員控制好車輛再橋上跑車、跳車及剎車的位置、速度和時間。

(5)儀器的調試，使用動態(tài)電阻應變儀時，應根據(jù)估計應變的大小確定增益、標定值范圍等，調整記錄速度和記錄幅度。

(6)在整個動載試驗進行階段，應編制好組織程序，如人員的分組，組與組之間的配合等，這樣整個試驗的進行就會顯得更加有效率，更加科學。

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