劉金亮 朱 靜 賈艷敏*

(1.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040； 2.遼寧大通公路工程有限公司，遼寧 沈陽 110001)

·橋梁·隧道·

三跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋動載試驗分析

劉金亮1朱 靜2賈艷敏1*

(1.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040； 2.遼寧大通公路工程有限公司，遼寧 沈陽 110001)

對現(xiàn)有橋梁在動荷載下的受力參數(shù)與理論計算的參數(shù)相比，得出了該橋梁的實際使用狀態(tài)，通過模擬實際橋梁，分析了各種不利荷載作用下橋梁的受力響應(yīng)，該動荷載試驗分析結(jié)果為箱形連續(xù)梁橋的動荷載控制設(shè)計提供了數(shù)據(jù)支持。

動載試驗，響應(yīng)參數(shù)，受力分析，不利荷載

隨著中國公路網(wǎng)絡(luò)的逐漸完善，中國新建橋梁的步伐逐漸放緩，隨之而來的問題就是服役橋梁，能否滿足當今的行車需要，這就需要對其進行檢測鑒定。國內(nèi)較成熟的檢測方法是靜載加載法，雖然靜載試驗測量精度高，但是靜載試驗周期長，人力物力投入量大等一系列問題長期困擾著工程師們。近年來，動載試驗以其靈活、簡便，不需要過多的人力及機械投入，檢測成本低等優(yōu)點，而被檢測工程師認可。

1 動載試驗內(nèi)容

1.1 試驗概況

東北林業(yè)大學(xué)新園區(qū)馬家溝橋為三跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋，橋跨結(jié)構(gòu)長為65.5 m，斜交15°(0號臺斜交30°)，跨徑布置為(17.5+32+16)m，全長71.28 m。全橋在0號臺、3號臺各設(shè)一道D80型天然橡膠伸縮縫。下部采用柱式墩，雙柱式臺，樁基礎(chǔ)，所有樁基礎(chǔ)均為鉆孔灌注樁并按摩擦樁設(shè)計。橋梁縱斷面布置圖見圖1。

1.2 測點布置

本試驗為動荷載試驗，為精確測量出該橋梁在各個荷載工況的作用下的動力響應(yīng)情況，并結(jié)合該試驗橋梁的實際工程情況。本次測試的測點布置在各跨的跨中、1/4點，支點處，并去除第1跨及第3跨的橋臺處的點，共設(shè)置11個測試點。橫向布置于行車道一側(cè)。測量拾振器與測點布置如圖2所示。本試驗采用東華動測速度拾振器，可同時獲取橫向及豎向響應(yīng)數(shù)據(jù)，并通過無線傳輸技術(shù)進行數(shù)據(jù)收集。其工作機理如圖3所示。

1.3 試驗工況

橋梁動載試驗就是要利用荷載引起橋梁的振動，通過評判橋梁的振動響應(yīng)來綜合得到橋梁的使用狀態(tài)。橋梁動載試驗的激振方法包括自由振動法，共振法(強迫振動法)以及脈動法。本次試驗利用跳車試驗(自由振動法)得到橋梁自振頻率。利用跑車試驗及剎車試驗(共振法)得到橋梁的動態(tài)響應(yīng)。該試驗分三個荷載工況：

荷載工況一：在第二跨跨中設(shè)置高為15 cm的障礙，汽車后軸從障礙頂面自由下落。

荷載工況二：試驗車輛以10 km/h,20 km/h,30 km/h,40 km/h勻速行駛過全橋，為無阻力的行車測試。

荷載工況三：試驗車輛以10 km/h,20 km/h勻速行駛，并在跨中處突然剎車。

本次試驗車輛為53 t混凝土罐車，軸重分配如下，其中前軸重17 t，兩個驅(qū)動軸重18 t，兩后主軸間距1.4 m，首排主軸輪與前軸間距為4 m。

2 測試結(jié)果與理論分析

2.1 結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的測試結(jié)果

為得到三跨連續(xù)梁的自振頻率，本文利用自由振動法即跳車試驗進行激振。通過對自由振動波分析得到該結(jié)構(gòu)的橫向與豎向振動的基頻。圖4和圖5分別為中跨跨中截面豎向與橫向時域、頻域圖譜。其中時域圖為實測數(shù)據(jù)，頻域圖為時域數(shù)據(jù)經(jīng)FFT轉(zhuǎn)化之后的結(jié)果。

根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者對振動試驗的研究，在結(jié)構(gòu)振動時，是多個不同頻率的振動疊合而成，其中以基頻振動占絕大部分，所以對基頻的研究是研究結(jié)構(gòu)振動的重點。

該三跨連續(xù)梁橋豎向基頻為5.18 Hz,該結(jié)構(gòu)豎向基頻較大，符合小跨徑連續(xù)梁橋基頻較大的特點。結(jié)構(gòu)的橫向基頻2.05 Hz，動測結(jié)果表明結(jié)構(gòu)具有較大的橫向剛度，而該結(jié)構(gòu)為單箱單室的大箱梁，這說明該橋梁具有較大的剛度，且使用性能良好。

2.2 車輛耦合作用橋梁動態(tài)響應(yīng)分析

車輛在橋梁結(jié)構(gòu)上行駛，會對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個復(fù)雜的動力響應(yīng)。該振動既與車輛的自身振動有關(guān)，還與橋結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性緊密相關(guān)，這是個復(fù)雜的耦合作用。本文采用實驗數(shù)據(jù)分析和理論模型模擬相結(jié)合的方式分析該耦合作用對橋梁結(jié)構(gòu)的作用。

利用東華動測系統(tǒng)，得到各個荷載工況下的時域與頻域曲線，并對該曲線進行分析，得到各個荷載工況下的耦合頻率及阻尼比。通過數(shù)據(jù)解析，了解三跨連續(xù)箱梁橋的動荷載響應(yīng)特性。圖6、圖7給出跑車10 km/h時，跨中截面豎向及橫向時域與頻域圖，圖8、圖9給出剎車10 km/h時，跨中截面豎向及橫向時域與頻域圖。表1、表2給出各個荷載作用下的耦合頻率及阻尼比。

試驗結(jié)果表明，隨著車速的增加橫向與豎向的耦合頻率都在增加，但豎向耦合頻率要遠小于基頻，而橫向耦合頻率與實測基頻相近，說明跑車及剎車荷載對橋梁豎向作用的影響較大，對橫向的影響較小。在相同的車速下，剎車與跑車作用對橋梁的耦合頻率十分接近，這說明雖然剎車作用對橋梁行車方向的作用力相比跑車作用力大，但是對橋梁產(chǎn)生的動力響應(yīng)相近。對預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁橋而言,當阻尼比ζ介于2%～5%之間,說明橋梁結(jié)構(gòu)無裂縫,該橋的實測阻尼比均在范圍內(nèi)，說明梁體內(nèi)部不存在裂縫，使用性好。

表1 各荷載工況下豎向耦合頻率、阻尼比

荷載工況/km·h-1耦合頻率/Hz阻尼比/%跑車103.542.66跑車204.893.57跑車304.983.38跑車405.084.63剎車103.554.03剎車204.904.64

表2 各荷載工況下橫向耦合頻率、阻尼比

2.3 理論數(shù)據(jù)計算

本文模型模擬計算采用橋梁設(shè)計常用的Midas Civil軟件。根據(jù)該橋的實際工程概況建立理論計算模型。該模型為平面桿系結(jié)構(gòu)，因此本文只模擬橋梁在動荷載作用下的結(jié)構(gòu)豎向響應(yīng)，圖10給出該三跨連續(xù)梁的理論模型。

利用MidasCivil的時程分析的功能，模擬跑車和跳車荷載。得到各荷載工況下的位移曲線，圖11，圖12分別給出跑車40km/h及中跨跳車荷載的時程曲線。圖13，圖14給出各荷載工況下的理論位移與實測位移、理論耦合頻率與實測頻率分析對比圖。

由圖13可知，中跨跨中實測位移值與理論位移值隨各個工況的變化趨勢一致，且理論值要大于實測值，這說明橋梁的實際承載能力較好。在跑車試驗中，跑車40km/h產(chǎn)生最大的位移為-2.257mm，跑車10km/h產(chǎn)生最小的位移-1.476mm。即跑車速度越快產(chǎn)生的作用越大。各個工況中跳車產(chǎn)生的唯一最大值為-3.37mm。圖14表明，在車輛耦合作用下，理論與實際耦合頻率隨著車速的增加而上升，且最大的振動頻率為橋梁自由振動產(chǎn)生的基頻，即跳車荷載產(chǎn)生的自振頻率。實測耦合頻率大于理論計算值，說明橋梁結(jié)構(gòu)在受到動荷載時，利用較短的時間完成振動，這說明該橋的實際剛度大于理論模型的剛度，即橋梁的狀態(tài)良好。

2.4 理論跳車試驗

本文致力于研究三跨連續(xù)梁橋在動荷載作用下的最不利狀態(tài)，作為橋梁動荷載控制設(shè)計的數(shù)據(jù)支持。根據(jù)前文所述，該模型與實際橋梁狀態(tài)吻合良好，且跳車荷載產(chǎn)生的動力響應(yīng)最大，因此利用該模型模擬分析各種不利跳車荷載。根據(jù)三跨連續(xù)梁橋的影響線特點，且根據(jù)最不利原則，模擬分析跳車荷載作用在左跨跨中，中跨跨中，左、中跨跳車荷載，右、中跨跳車荷載，左、右跨跳車荷載。圖15給出左、中跨跳車對中跨跨中截面的影像位移時程曲線。表3，表4給出了各個跳車作用下，三個觀測斷面即左邊跨跨中、中跨跨中、右邊跨跨中的最大、最小的位移值。

表3 各荷載作用下觀測斷面位移最大值

荷載工況觀測點撓度值左邊跨跨中中跨跨中右邊跨跨中左邊跨跳車荷載0.07180.74380.008中跨跳車荷載0.73060.79760.6407左中跨跳車荷載0.57561.4071.206右中跨跳車荷載0.65380.63190.1806左右跨跳車荷載0.12411.3840.1389

表4 各荷載作用下觀測斷面位移最小值

由表4可知，各跨跨中的跳車荷載對該跨均產(chǎn)生較大的位移。最不利跳車位置為左、中跨跨中同時跳車產(chǎn)生，產(chǎn)生最大的下?lián)隙?.922 mm，最大上撓度1.407 mm，即正彎矩最大與負彎矩最大的斷面。在各個跳車荷載中，中跨跨中對各跨的影響最大。

3 結(jié)語

通過對三跨連續(xù)梁橋在汽車荷載作用下引起的動載試驗的研究得出如下結(jié)論:1)使用跳車荷載法(自由振動法)能夠精確地得到橋梁振動的基頻特性，安全可靠。2)根據(jù)動載試驗結(jié)果分析，該橋梁剛度、阻尼較大，表明該橋梁具有很好的使用性能。3)本文建立的Midas Civil模型與實測的基頻、耦合頻率、位移值相吻合，即該模型與實際橋梁的受力特性相吻合。4)通過試驗數(shù)據(jù)分析與理論模擬分析，在跑車40 km/h時，與左、中跨同時跳車時對橋梁的影響較大，該結(jié)果可作為橋梁設(shè)計時動荷載設(shè)計的控制數(shù)據(jù)。同時在橋梁日常養(yǎng)護中，應(yīng)注重保持橋面的干凈整潔，提高通行能力，避免出現(xiàn)跳車，延長橋梁的使用壽命。

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Three-span prestressed continuous beam bridge dynamic load test analysis

LIU Jin-liang1ZHU Jing2JIA Yan-min1*

(1.CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China;2.LiaoningDatongHighwayEngineeringCo.,Ltd,Shenyang110001,China)

Based on the existing bridges in the dynamic compared parameter calculation parameters and theory under load, it is concluded that the bridge actual using state. The simulation of the actual bridge, the bridge role analysis of various unfavorable loading response. The dynamic load test results to analyze the continuous box beam bridge dynamic load control design to provide data support.

dynamic load test, response parameters, stress analysis, unfavorable load

1009-6825(2014)34-0165-04

2014-09-22

劉金亮(1991- )，男，在讀碩士； 朱 靜(1985- )，女，工程師

賈艷敏(1962- )，女，博士生導(dǎo)師，教授

U448.215

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