■張澤文 羅章華 黃嘆生

(1.廈門市快速公交場站有限公司 廈門 361000；2.廈門合誠工程檢測有限公司 廈門 361000)

0 引言

超載或超速運(yùn)行的車輛行駛在曲線橋梁結(jié)構(gòu)上時(shí)會產(chǎn)生動力響應(yīng)，影響橋梁的工作狀態(tài)和使用年限。其次，曲線橋梁結(jié)構(gòu)的振動同時(shí)也對通過的車輛的穩(wěn)定性和安全性產(chǎn)生作用，使其成為評估結(jié)構(gòu)動力設(shè)計(jì)參數(shù)的合理情況的重要因素。所以，對移動的車輛動荷載與橋梁結(jié)構(gòu)動力耦合作用進(jìn)行綜合研究，以便對曲線橋梁整體的動力性能和行車安全作出分析和評估，在實(shí)際工程和對于承受動荷載的各種橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和建造具有十分重要的意義。

1 工程概況

廈門市快速交通系統(tǒng)(BRT)一號線島內(nèi)段起自第一碼頭，沿廈禾路、蓮前西路、縣黃路與集美大橋?qū)印８鲄^(qū)間使用高架橋梁連接。其中，第93聯(lián)設(shè)計(jì)采用4跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)，孔跨布置為(23+24+29+29)m，橋?qū)?1.3m，屬區(qū)間橋梁；該橋?yàn)榍€橋，其曲線半徑為150m，平面布置如圖1所示。主梁斷面為單箱單室，混凝土強(qiáng)度等級為C50；墩柱為瓶式變斷面，混凝土強(qiáng)度等級為C40。蓮花富山小曲線鋼橋上部結(jié)構(gòu)跨徑分布：(49.75+60+49.75)m，為連續(xù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)，主梁采用Q345鋼。平面布置如圖2所示。

計(jì)算荷載：輕軌荷載(直線電機(jī)B型車荷載)，設(shè)計(jì)行車速度：30km/h。

2 工程動載試驗(yàn)試驗(yàn)方案

圖1 廈門市BRT第93聯(lián)高架橋平面布置圖(單位：m)

圖2 廈門市BRT蓮花富山小曲線鋼橋平面布置圖(單位：m)

結(jié)構(gòu)的動力特性是結(jié)構(gòu)振動系統(tǒng)的基本特性，是進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力分析所必須的參數(shù)。橋梁動力荷載試驗(yàn)主要是通過測試橋跨結(jié)構(gòu)的動力特性指標(biāo) (自振特性指標(biāo)和動荷載作用下的振動特性指標(biāo))，研究橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性和車輛動力荷載與橋梁結(jié)構(gòu)的聯(lián)合振動特性，以檢驗(yàn)這些指標(biāo)能否滿足設(shè)計(jì)或規(guī)范規(guī)定，從而判斷橋梁結(jié)構(gòu)的整體剛度、行車性能。

2.1 環(huán)境振動試驗(yàn)

環(huán)境振動試驗(yàn)主要測量橋梁的自振頻率。環(huán)境振動試驗(yàn)是通過在橋上布置高靈敏度的傳感器，長時(shí)間記錄橋梁結(jié)構(gòu)在環(huán)境激勵(lì)下，如風(fēng)、水流、地脈動等引起的橋梁振動，然后對記錄下來的橋梁振動時(shí)程信號進(jìn)行處理，并進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，求出橋梁結(jié)構(gòu)自振特性的一種方法。

環(huán)境振動試驗(yàn)假設(shè)環(huán)境激勵(lì)為平穩(wěn)的各態(tài)歷經(jīng)，在中低頻段，環(huán)境振動的激勵(lì)譜比較均勻，在環(huán)境激勵(lì)的頻率與橋梁的自振頻率一致或接近時(shí)，橋梁容易吸收環(huán)境激勵(lì)的能量，使振幅增大；而在環(huán)境激勵(lì)的頻率與橋梁自振頻率相差較大時(shí)，由于相位差較大，有相當(dāng)一部分能量相互抵消，振幅較小。對環(huán)境激勵(lì)下橋梁的響應(yīng)信號進(jìn)行多次功率譜的平均分析，可得到橋梁的各階自振頻率。環(huán)境振動試驗(yàn)要測出橋梁結(jié)構(gòu)多階頻率及阻尼比。

本文采用MIDAS對該橋2聯(lián)曲線橋進(jìn)行理論模態(tài)分析，得到一階模態(tài)參數(shù)，如圖3。一階振型的頻率分別為 2.18Hz和 4.79Hz。

2.2 無障礙行車試驗(yàn)

無障礙行車試驗(yàn)是利用試驗(yàn)車輛在橋上以一定速度行駛，對橋梁施以動力荷載，測量橋梁特征位置的振幅、動應(yīng)力和沖擊系數(shù)等，對測得的橋梁動力響應(yīng)值進(jìn)行分析，獲得橋梁的動力響應(yīng)特性。

圖3 廈門市BRT曲線橋梁計(jì)算模態(tài)

通過對該曲線橋進(jìn)行計(jì)算分析得到，該曲線橋理論結(jié)構(gòu)基頻分別為2.18Hz和4.79Hz，根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015)中的規(guī)定，計(jì)算得到相應(yīng)沖擊系數(shù)為0.122和0.261。如圖4為車輛通過曲線橋梁的彎矩內(nèi)力圖。

本次試驗(yàn)擬利用一輛試驗(yàn)汽車來模擬汽車無障礙行車，要求其分別以 10km/h、20km/h、30km/h、40km/h、50km/h、60km/h的速度勻速駛過該橋，每一車速行駛1次，測試橋梁的動應(yīng)變時(shí)程。

圖4 廈門BRT曲線橋梁無障礙行車彎矩內(nèi)力圖

3 測試結(jié)果與評定

3.1 環(huán)境振動測試分析及評定

環(huán)境振動試驗(yàn)采用速度傳感器采集橋梁在環(huán)境荷載作用下的振動速度信號。信號的采樣頻率為100Hz，每個(gè)測點(diǎn)采樣時(shí)間為30min。

通過在蓮花富山小曲線鋼橋及第93聯(lián)橋橋面布置速度傳感器，測得該橋典型測點(diǎn)的環(huán)境振動時(shí)程曲線如圖5所示。

圖5 廈門BRT曲線橋測點(diǎn)的環(huán)境振動時(shí)程曲線

對各測點(diǎn)的速度時(shí)程曲線進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，得出結(jié)構(gòu)的一階頻率，如圖6及圖7所示。

圖6 廈門BRT曲線橋梁振動頻譜圖

圖7 廈門BRT曲線橋?qū)崪y豎彎一階模態(tài)

本次試驗(yàn)測試的橋梁自振頻率如表1所列，表中亦列出頻率理論計(jì)算值。由表可以看出，蓮花富山小曲線鋼橋?qū)崪y基頻為2.19Hz，第93聯(lián)橋?qū)崪y基頻為5.69Hz，分別大于理論計(jì)算值2.18Hz和4.79Hz。自振特性測試結(jié)果表明富山小曲線鋼橋和第93聯(lián)整體剛度良好、較理論為大，結(jié)構(gòu)傳遞振動能力及均質(zhì)性較好。

表1 實(shí)測頻率與理論頻率的對比

3.2 無障礙行車試驗(yàn)分析及評定

沖擊系數(shù)定義為當(dāng)橋梁上有車輛行駛時(shí)，由于車輛與橋梁的相互作用，引起車橋整體系統(tǒng)振動，從而使得橋梁結(jié)構(gòu)在車輛荷載作用下位移和內(nèi)力的動力反應(yīng)值大于車輛荷載作為靜力荷載作用下的橋梁結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力值。為了確保橋梁結(jié)構(gòu)在車輛動力荷載作用下的使用安全，在工程設(shè)計(jì)中必須考慮車輛荷載的動力效應(yīng)。目前，在橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中，一般用沖擊系數(shù)來考慮車輛荷載的動力效應(yīng)。沖擊系數(shù)定義如下：

式中，μ為沖擊系數(shù)；Ydmax為最大動應(yīng)變值；(Ydmax+Ydmin)/2為最大靜應(yīng)變值。

當(dāng)試驗(yàn)車輛荷載不滿足0.95≤ηdyn≤1.05時(shí)，應(yīng)進(jìn)行荷載效率修正，即修正后的實(shí)測沖擊系數(shù)：

強(qiáng)迫振動是結(jié)構(gòu)受到隨時(shí)間變化的外力時(shí)所顯示的反映，動應(yīng)變測點(diǎn)在不同車速激振下的部分動應(yīng)變時(shí)程曲線見圖8。

通過邁達(dá)斯計(jì)算，本次實(shí)測曲線橋梁在指定試驗(yàn)車輛荷載作用下控制截面的最大內(nèi)力及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下的控制截面內(nèi)力如下表2所示，滿足《城市橋梁檢測與評定技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T 233-2015)中不大于1的規(guī)定，故將其作為本次實(shí)測沖擊系數(shù)的荷載效率修正系數(shù)。

本次實(shí)測無障礙跑車情況下的實(shí)測沖擊系數(shù)列于表3。

圖8 廈門BRT曲線橋梁無障礙行駛時(shí)時(shí)程響應(yīng)曲線

表2 廈門BRT曲線橋梁移動荷載試驗(yàn)效率表

無障礙行車試驗(yàn)的試驗(yàn)車速分別為10km/h、20km/h、30km/h，試驗(yàn)得出，無障礙行車試驗(yàn)下蓮花富山小曲線鋼橋單車實(shí)測最大沖擊系數(shù)在車速30km/h時(shí)最大，其值為0.162，通過車輛荷載修正后沖擊系數(shù)為0.034；第93聯(lián)橋單車實(shí)測沖擊系數(shù)在車速為30km/h最大，其值為0.174，通過車輛荷載修正后沖擊系數(shù)為0.049。

沖擊系數(shù)的大小綜合反應(yīng)了橋梁結(jié)構(gòu)的受力性能，橋面平整度以及橋梁的動力性能。通過車輛荷載修正后，蓮花富山小曲線鋼橋單車實(shí)測的沖擊系數(shù)最大值為0.034，小于設(shè)計(jì)規(guī)定計(jì)算得到的沖擊系數(shù)0.122；第93聯(lián)單車實(shí)測的沖擊系數(shù)最大值0.049，小于設(shè)計(jì)規(guī)定計(jì)算得到的沖擊系數(shù)0.261。實(shí)測值小于計(jì)算值，說明實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)動力性能較好，橋面高速行車時(shí)舒適度較佳。

4 結(jié)論

本文通過廈門BRT高架橋梁典型曲線橋的工程實(shí)例來對曲線橋梁的動態(tài)性能進(jìn)行研究，利用midas建模，進(jìn)行理論分析，理論數(shù)據(jù)的計(jì)算。通過脈動試驗(yàn)和跑車試驗(yàn)分別對橋梁頻率、阻尼、振型、沖擊系數(shù)進(jìn)行分析與評定。

表3 蓮花富山小曲線鋼橋及第93聯(lián)在不同車速下的沖擊系數(shù)

通過對兩聯(lián)橋梁的動態(tài)分析，得到實(shí)測振型與理論振型較為一致，實(shí)測頻率較理論頻率大，而實(shí)測沖擊系數(shù)小于理論沖擊系數(shù)，說明橋跨剛度性能較好，也說明本次工程實(shí)例研究與理論較為一致。