李保龍

(朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司，河北 肅寧 062350)

1 概述

多跨簡支梁橋因其結(jié)構(gòu)簡單、架設方便、造價低、施工工期短、結(jié)構(gòu)內(nèi)力不受地基變形和溫度改變的影響等優(yōu)點，廣泛應用于鐵路交通基礎(chǔ)設施建設。多跨簡支梁橋主要分為上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)，橋梁上部結(jié)構(gòu)承受列車荷載作用，而下部結(jié)構(gòu)的狀態(tài)也直接影響整個橋梁的安全。隨著橋梁服役年限的不斷增長，由于洪水沖刷、鹽堿腐蝕及外力撞擊等引起的基礎(chǔ)病害逐漸顯現(xiàn)出來。然而橋梁的基礎(chǔ)病害一般在地面或水面以下，簡單的外觀檢查或靜力加載方式[1]很難對其技術(shù)狀態(tài)進行評估。自振頻率是橋梁基礎(chǔ)狀態(tài)診斷和評估的關(guān)鍵性指標之一，因此國內(nèi)外都十分重視橋梁下部結(jié)構(gòu)自振頻率的現(xiàn)場測試[2-3]。

孫國藩[4]總結(jié)了不同病害下橋墩的10種典型波形，并提出了鐵路橋墩技術(shù)狀態(tài)判別方法。陳新中等[5]對墩身根部出現(xiàn)裂紋病害的鐵路橋墩進行了實驗室試驗，分析了裂紋病害橋墩與完好橋墩振動特性的差異；沈陽鐵路局科學技術(shù)研究所[6]運用綜合動力指標對長大線跨度30 m以上部分橋墩的病害進行了評判；尹成斐[7]以朔黃鐵路一水中橋墩為研究對象，測試了橋墩橫橋向自振頻率，并采用模型修正技術(shù)對橋墩的健康狀態(tài)進行了定量評估。

基礎(chǔ)剛度反映了基礎(chǔ)約束的強弱。既有研究中，可依據(jù)橋墩自振頻率通過多種手段實現(xiàn)基礎(chǔ)剛度的識別：安志剛[8]以有限元模型修正技術(shù)為基礎(chǔ)，采用橋墩自振頻率和振型構(gòu)造目標函數(shù)，識別得到基礎(chǔ)約束剛度；陳興沖[9]將橋梁下部結(jié)構(gòu)簡化為帶有集中質(zhì)量的懸臂梁，通過能量法計算了基礎(chǔ)約束剛度；朱晞等[10]采用回歸分析法得到了橋墩自振頻率和基礎(chǔ)剛度之間的簡化計算公式。

本文以一座重載鐵路簡支梁橋為研究對象，對水流沖刷作用下橋梁下部結(jié)構(gòu)的動力響應進行了現(xiàn)場測試，并采用橋墩自振頻率的近似計算方法得到基礎(chǔ)剛度，分析了水流沖刷對基礎(chǔ)剛度的影響。

2 自振頻率測試方法

橋梁下部結(jié)構(gòu)自振頻率測試方法主要包括余振法、環(huán)境振動法和模態(tài)分析法。余振法只適用于振動形式較為單一的結(jié)構(gòu)；環(huán)境振動法只對柔度較大結(jié)構(gòu)有效；模態(tài)分析法操作難度較大且試驗成本較高。對于普通鐵路多跨簡支梁體系來說，各構(gòu)件之間的相互耦合較為嚴重且橋墩剛度較大，以上方法均不適用。

沖擊振動試驗法[11]是近年來出現(xiàn)的橋梁下部結(jié)構(gòu)自振頻率測試的新方法。其基本原理是將沖擊荷載在橋墩自振頻率范圍內(nèi)的荷載譜簡化為白噪聲荷載，并將響應譜近似等效為頻響函數(shù)，根據(jù)響應譜的相位角與結(jié)構(gòu)自振頻率峰值點的對應關(guān)系最終確定結(jié)構(gòu)的自振頻率：對于位移和加速度信號，當響應譜峰值點所對應的相位角為90°或270°時(圖1(a))，相應頻率即為結(jié)構(gòu)的自振頻率；對于速度信號，當響應譜峰值點所對應的相位角為180°或360°時(圖1(b))，相對頻率即為結(jié)構(gòu)的自振頻率。

圖1 確定自振頻率的方法

3 理論基礎(chǔ)剛度計算方法

鐵路橋墩在動力荷載作用下，可簡化為頂端帶有集中質(zhì)量的懸臂梁[9]，如圖2所示。其中，M為墩頂集中質(zhì)量;m為墩身分布質(zhì)量;A為橋墩截面面積;E和I分別為橋墩彈性模量和慣性矩;ρ為材料密度;H為墩身高度;k1,k2分別為地基對橋墩的平動約束剛度和轉(zhuǎn)動約束剛度。樁基剛度計算模型如圖3所示。

圖2 橋墩簡化模型

圖3 樁基剛度計算模型

假定樁基礎(chǔ)入土深度為h;在地面或局部沖刷面處的彎矩、剪力、水平位移和轉(zhuǎn)角位移分別為M0，Q0，x0，φ0;在地面或局部沖刷面以下深度y處的彎矩、剪力、水平位移和轉(zhuǎn)角位移分別為My,Qy,xy,φy;則由材料力學可知：

(1)

式中：b0為樁基礎(chǔ)的計算寬度;m為非巖石地基水平向抗力系數(shù)的比例系數(shù)。

(2)

(3)

(4)

依據(jù)上述單樁樁頂剛度，可按照TB 10093—2017《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設計規(guī)范》進行群樁整體平動約束剛度k1和轉(zhuǎn)動約束剛度k2的相關(guān)計算，且認為當橋墩基礎(chǔ)狀態(tài)發(fā)生變化時，平動約束剛度和扭轉(zhuǎn)約束剛度發(fā)生等程度變化。

4 基礎(chǔ)約束剛度識別方法

得到橋梁自振頻率之后即可采用Rayleigh能量法計算橋墩的基礎(chǔ)剛度，將基底約束簡化為轉(zhuǎn)動彈簧和平動彈簧，文獻[9]根據(jù)Southwell頻率合成法和能量守恒原理推導了橋墩自振頻率和基礎(chǔ)剛度之間的關(guān)系。設xt(z)，xr(z)，xf(z)，xs(z)分別是由平動、轉(zhuǎn)動、墩身彎曲變形、墩身剪切變形引起的撓度函數(shù)，其表達式為

式中：ct,cr分別是k1的平動位移和k2的轉(zhuǎn)角位移；cf,cs分別為由于墩身彎曲變形和墩身剪切變形引起的墩頂位移。

根據(jù)頻率合成法，橋墩系統(tǒng)的振動基頻可由各獨立系統(tǒng)的變形元和慣性元全部組合給定，如圖4所示。

正是基于思想政治教育學的特點，創(chuàng)新和完善思想政治教育形式就顯得非常必要。特別是今天我們處在信息化時代，表現(xiàn)形式、表達方式較過去更加多元，而大學生這一青年群體又天生地對各種新興形式、新興方式更加易于接納，因此，在新時代做好大學生思想政治教育工作也應該與時俱進，通過舉辦一些學生喜聞樂見又樂于接受的公益活動、興趣活動、積極健康向上的文娛活動等，把思想政治教育的內(nèi)容融入其中，從而使大學生在除了課程教學之外，有更鮮活的形式來接受思想政治教育。

圖4 橋墩頻率計算中慣性元與變形元的組合

各獨立系統(tǒng)的組合頻率為

(9)

式中:ω1為墩身分布質(zhì)量與基礎(chǔ)變形的組合頻率;ω2為墩身分布質(zhì)量和墩身彎曲變形的組合頻率;ω3為墩身分布質(zhì)量和墩身剪切變形的組合頻率;ω4為墩頂集中質(zhì)量和基礎(chǔ)變形的組合頻率;ω5為墩頂集中質(zhì)量和墩身彎曲變形的組合頻率;ω6為墩頂集中質(zhì)量和墩身剪切變形的組合頻率;1/k′為剪切應力的分布系數(shù);G為剪切模量。

橋墩系統(tǒng)的振動基頻ω滿足

(15)

假定平動約束剛度k1和轉(zhuǎn)動約束剛度k2之比為α∶1，則二者可采用一個變量表示。將上式進一步化簡可得轉(zhuǎn)動約束剛度和橋墩自振頻率之間的關(guān)系為

(16)

綜合以上基礎(chǔ)剛度識別方法可將實測得到的橋墩自振頻率轉(zhuǎn)化為基礎(chǔ)約束剛度。將實測基礎(chǔ)約束剛度識別值和理論基礎(chǔ)約束剛度計算值進行比對，當前者較大時，說明基礎(chǔ)狀態(tài)良好。反之則認為橋墩基礎(chǔ)狀態(tài)不滿足設計使用要求。

5 基于剛度識別的橋梁沖刷評估現(xiàn)場試驗

5.1 橋梁概況

大沙河特大橋為32 m跨度普通高度預應力混凝土簡支T梁橋(定型圖號：專橋2059)、圓端形橋墩和樁基礎(chǔ)。調(diào)查中發(fā)現(xiàn)大沙河特大橋上行線的T梁已經(jīng)用施加橫向預應力的方式進行了加固;上下行分離式圓端形橋墩進行了外包混凝土加固，使其成為了整體橋墩;對基礎(chǔ)橫橋向兩側(cè)分別進行了加樁處理，并相應加大了承臺尺寸。

2018年7月21日，上游約40 km處水庫放水，使得大沙河河床下切，導致大沙河特大橋的32#墩兩側(cè)基礎(chǔ)(見圖5)和31#墩一側(cè)基礎(chǔ)沖刷，其中32#墩最大沖刷深度達到4.5 m。

圖5 32#墩

為了研究水流沖刷對基礎(chǔ)約束剛度的影響規(guī)律，對大沙河特大橋的29#墩、30#墩、31#墩和32#墩進行了動力測試。上述4個橋墩的基礎(chǔ)土質(zhì)較為接近，加固處理方式也相同。橋墩尺寸見圖6。

圖6 橋墩尺寸(單位：cm)

表1 橋墩物理參數(shù)

5.2 試驗設備及方案

試驗選用國家地震局工程力學研究所生產(chǎn)的941-B 型振動拾振器。該拾振器具有質(zhì)量輕、分辨率高、使用方便等優(yōu)勢，滿足試驗所需的帶寬要求。得到結(jié)構(gòu)的振動響應后，采用東方振動和噪聲技術(shù)研究所生產(chǎn)的INV3018C型24位數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)和DASP-V10動態(tài)測試分析平臺軟件開展響應信號采集和分析工作。

普通鐵路簡支梁橋質(zhì)量很大，普通的力錘等激勵設備很難保證激勵完全，因此激勵設備采用30 kg 的特質(zhì)鑄鐵重錘。為了保護橋梁結(jié)構(gòu)，避免重錘直接錘擊對橋墩結(jié)構(gòu)造成損傷，在重錘外包硬質(zhì)橡膠。

由于該方法僅需測量響應信號，無需測量力信號，因此在實際測量時，僅需在墩頂布置一個橫向拾振器(如圖7)，且本次試驗所拾取的響應均為速度。

圖7 測點布置示意

基于上述試驗設備和測點布置方案，即可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)響應的激勵、拾取、采集和分析。

5.3 試驗結(jié)果分析

由于本試驗中31#墩和32#墩位于水中，受到水流沖刷較為嚴重，29#墩、30#墩位于陸地，并未受到水流的沖刷作用，因此本次試驗以29#墩、30#墩的自振特性識別結(jié)果作為參考，分析了31#墩和32#墩在基礎(chǔ)受到?jīng)_刷后基礎(chǔ)約束剛度的變化規(guī)律。用特制重錘橫向錘擊橋墩頂部，墩頂速度響應時程曲線如圖8所示。

圖8 墩頂速度響應時程曲線

為了提高信噪比，將多次沖擊荷載下的墩頂速度響應時程進行平均以消除噪聲干擾信號。采用沖擊振動試驗法對各橋墩的墩頂速度響應時程進行分析，各橋墩的自振頻率識別結(jié)果如圖9所示。

圖9 各橋墩頻率識別結(jié)果

從圖9可以看出，各橋墩均有2個響應譜峰值點，較小的頻率峰值點均為3.5 Hz且不滿足相位譜條件。依據(jù)沖擊振動試驗法的基本原理，可準確判定3.5 Hz為32 m預應力混凝土T梁的橫向振動頻率，29#墩、30#墩、31#墩和32#墩的自振頻率分別為7.75,7.75,7.00,7.00 Hz。

依據(jù)本文所提實測基礎(chǔ)剛度識別方法，以表1所示的橋墩物理參數(shù)為基礎(chǔ)，可算得29#，30#，31#，32#墩的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動約束剛度分別為1.59×1010，1.59×1010，1.27×1010，1.27×1010N/(m·rad)。各橋墩的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動約束剛度計算值為9.27×109N/(m·rad)，實測值大于計算值。

各橋墩基礎(chǔ)約束剛度計算結(jié)果說明在水流沖刷條件下，31#墩和32#墩的基礎(chǔ)剛度被削弱了20%，但依然滿足設計使用需要。建議實際運營中嚴密監(jiān)視31#墩和32#墩的基礎(chǔ)剛度變化，必要時對其進行加固。

6 結(jié)論

本文以大沙河特大橋為研究對象，采用沖擊振動試驗法測得橋梁下部結(jié)構(gòu)的自振頻率，推導了橋墩自振頻率與基礎(chǔ)剛度之間的關(guān)系，分析了水流沖刷對基礎(chǔ)剛度的影響。主要結(jié)論如下：

1)本文所提方法可準確識別橋梁下部結(jié)構(gòu)的自振頻率，并準確計算橋梁基礎(chǔ)剛度。

2)大沙河特大橋樁基礎(chǔ)受到水流沖刷作用后，自振頻率會出現(xiàn)較為明顯的下降，基礎(chǔ)剛度下降20%，但依然滿足設計使用需要。在橋梁實際運營養(yǎng)護中，須對受到水流沖刷的橋墩進行重點關(guān)注，在必要時進行加固處理。