郭韋韋

(天津高速公路集團(tuán)有限公司 天津市 300310)

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，汽車的增長速度和載重量增大，車流量也大幅度增加，這對橋梁運(yùn)營性能提出了更高的要求，尤其是橋梁的安全性。我國在20世紀(jì)70～90年代修建了大量的梁橋，經(jīng)過長時間的使用，為了保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全性，定期的橋梁檢查必不可少。橋梁結(jié)構(gòu)除了承受自身恒載以外，還要承受行車的荷載和自然界的其他動荷，因此，采用動力荷載試驗(yàn)定量地檢測出橋梁實(shí)際承載力有著重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-4]。

橋梁動力荷載試驗(yàn)的目的是測定橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性，即橋梁結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型、阻尼比等橋梁結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)；測定橋梁結(jié)構(gòu)在動荷載作用下的強(qiáng)迫振動響應(yīng)，即橋梁結(jié)構(gòu)的動位移、動應(yīng)力、沖擊系數(shù)等[5-8]。通過動載試驗(yàn)和理論分析來了解橋梁結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下的實(shí)際工作狀態(tài)，判斷和評價橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力和使用條件，分析橋梁病害成因并掌握其變化規(guī)律，分析橋梁病害對橋梁各項(xiàng)性能的影響。結(jié)合橋梁靜力荷載試驗(yàn)結(jié)果，對橋梁質(zhì)量做出合理的評價，為橋梁運(yùn)營管理及改造提供科學(xué)的依據(jù)[9-13]。

1 工程概況及測試內(nèi)容

佛子嶺大橋的里程中心樁號為K0+784.04，全長178.36m，全寬33m，跨徑組合為：46m+70m+46m，上部結(jié)構(gòu)為混凝土變截面連續(xù)梁，如圖1、圖2所示，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)如下：

(1)荷載：城市-A級。

(2)橋面寬度：4m(人行道)+11m(行車道)+3m(分隔帶)+1lm(行車道)十4m(人行道)，設(shè)計(jì)橋梁全寬33m。

(3)通航標(biāo)準(zhǔn)：VI級。最高通航水位51.5m，通航凈高5.24m，通航凈寬30m。

(4)橋梁交角：30°(行車道法線方向與河道中心線方向的夾角)。

圖1 橋跨布置示意圖(單位：cm)

圖2 橫斷面布置示意圖(單位：cm)

下部結(jié)構(gòu)橋墩采用柱式墩；橋臺采用重力式U型橋臺；支座采用LQZ系列球型鋼支座；伸縮縫在兩橋臺處分別采用RG-80型伸縮縫。

2 橋梁完好狀況等級評定

按照《城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》(CJJ 99-2017)的要求，采用分層加權(quán)法根據(jù)橋梁技術(shù)狀況記錄，對橋面系、上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行評估，再綜合得出每座橋梁技術(shù)狀況的評估。城市橋梁技術(shù)狀況評估方法如下：

Ⅱ～Ⅴ類養(yǎng)護(hù)的城市橋梁技術(shù)狀況的評估包括：橋面系、上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)和全橋評估。應(yīng)采用先構(gòu)件后部位再綜合及單項(xiàng)直接控制指標(biāo)相結(jié)合的辦法評估。

Ⅱ～Ⅴ類養(yǎng)護(hù)的城市橋梁，應(yīng)以橋梁狀況指數(shù)BCI確定橋梁技術(shù)狀況；應(yīng)以橋梁結(jié)構(gòu)指數(shù)BSI確定橋梁不同組成部位的結(jié)構(gòu)狀況。應(yīng)按分層加權(quán)法根據(jù)橋梁定期檢測記錄，對橋面系、上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)按本標(biāo)準(zhǔn)附錄D的評分等級、扣分表分別進(jìn)行評估，再綜合得出整座橋梁技術(shù)狀況的評估。

(1)橋面系的技術(shù)狀況應(yīng)采用橋面系狀況指數(shù)BCIm表示；橋面系的結(jié)構(gòu)狀況應(yīng)采用橋面結(jié)構(gòu)指數(shù)BSIm表示。根據(jù)橋面鋪裝、橋頭平順、伸縮裝置、排水系統(tǒng)、人行道和欄桿等要素的損壞扣分值

(2)橋梁上部結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況的評估應(yīng)逐跨進(jìn)行，然后再計(jì)算整座橋梁上部結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀況指數(shù)BCIs。橋梁上部結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)狀況應(yīng)采用上部結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)狀況指數(shù)BSIs表示。

(3)橋梁下部結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況的評估應(yīng)逐墩(臺)進(jìn)行，然后再計(jì)算整座橋梁下部結(jié)構(gòu)的狀況指數(shù)BCIx；橋梁下部結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)狀況采用下部結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)狀況指數(shù)BSIx表示。

(4)整個橋梁的技術(shù)狀況指數(shù)BCI根據(jù)橋面系、上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀況指數(shù)，應(yīng)按下式計(jì)算：

BCI=BCIm·ωm+BCIs·ωs+BCIx·ωx

式中：ωm、ωs、ωx—橋面系、上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的權(quán)重。

根據(jù)上述步驟分別計(jì)算左右幅橋的技術(shù)狀況等級，如表1、表2所示。

表1 佛子嶺路橋左幅橋橋梁完好狀況等級評定

表2 佛子嶺路橋右幅橋橋梁完好狀況等級評定

3 前期準(zhǔn)備

3.1 動載試驗(yàn)內(nèi)容

動載試驗(yàn)項(xiàng)目和內(nèi)容主要包括運(yùn)用振動測試系統(tǒng)采集環(huán)境激勵作用下橋面豎向振動的加速度響應(yīng)信號，并分析計(jì)算橋梁主體結(jié)構(gòu)豎向振動的固有頻率。

3.2 動載試驗(yàn)方法

橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性(自振頻率、阻尼系數(shù)等)，是進(jìn)行風(fēng)振和地震響應(yīng)分析的基礎(chǔ)，同時也可作為對結(jié)構(gòu)損傷識別或質(zhì)量評定的依據(jù)。它只與結(jié)構(gòu)本身的固有性質(zhì)(如結(jié)構(gòu)的組成形式、剛度、質(zhì)量分布、材料性質(zhì)等)有關(guān)，而與荷載等其它條件無關(guān)，是橋梁結(jié)構(gòu)振動系統(tǒng)的基本特征。

橋梁結(jié)構(gòu)是一個多變量的復(fù)雜系統(tǒng)，當(dāng)結(jié)構(gòu)的物理特性發(fā)生變化時(如開裂、尺寸變化、材料力學(xué)性能變化時)，不但靜力特性(變形、應(yīng)力、裂縫等)會發(fā)生變化，而且動力特性也發(fā)生變化，這一變化對于現(xiàn)狀評估有重要意義。

4 動載試驗(yàn)

4.1 理論分析結(jié)果

利用有限元分析程序?qū)蛄哼M(jìn)行動力特性分析，求解其三階自振頻率，通過與實(shí)測結(jié)果比較，對結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)行綜合分析，如圖3～圖5。

圖3 一階頻率(f1=1.488Hz)

圖4 一階頻率(f1=3.501Hz)

圖5 一階頻率(f1=8.773Hz)

4.2 試驗(yàn)工況選擇

本次檢測對該橋進(jìn)行動載試驗(yàn)主要為脈沖試驗(yàn)。

表3 動載試驗(yàn)工況選擇

4.3 測點(diǎn)布置

動載試驗(yàn)通過無線動態(tài)采集設(shè)備測試橋梁的模態(tài)，通過無線動態(tài)應(yīng)變測試分析系統(tǒng)測試橋梁的沖擊系數(shù)。具體拾振器布置和動應(yīng)變測點(diǎn)布置如下：

根據(jù)振型的特點(diǎn)，將傳感器布置在振型的峰、谷位置。傳感器主要布置在每跨L/4截面、L/2截面和3L/4截面，每跨共布置3個豎向傳感器。

4.4 結(jié)果分析與評定

在自然環(huán)境激勵和車輛移動荷載激勵作用下，采用連續(xù)采樣方式同時采集3個測點(diǎn)(通道)的速度響應(yīng)信號，每通道的采樣頻率為：100Hz，采樣放大倍數(shù)為1000HZ，各批次采樣的時間一般為15～20min。

通過頻域?yàn)V波、時域平均等方法對信號進(jìn)行去噪處理，然后根據(jù)信號的自功率譜、互譜以及相干函數(shù)識別主體結(jié)構(gòu)豎向振動的低階模態(tài)參數(shù)，具體振型如圖6、圖7所示。

圖6 左幅橋第一階頻率(f1=2.051Hz)

圖7 右幅橋第一階頻率(f1=3.066Hz)

通過對速度響應(yīng)自功率譜各個峰值點(diǎn)的識別，可以得到橋梁結(jié)構(gòu)前三階豎向自振頻率與阻尼比，實(shí)測頻率與理論頻率的比較如表4。

表4 實(shí)測頻率與理論頻率的比較

根據(jù)理論分析結(jié)果與實(shí)測結(jié)果可知，左幅橋與右幅橋?qū)崪y頻率均大于理論頻率，其中左幅橋?qū)崪y頻率小于右幅橋?qū)崪y頻率，右幅橋動力性能相對左幅橋較好且與靜載試驗(yàn)結(jié)果相匹配。

5 結(jié)論

橋梁動力荷載試驗(yàn)理論上基本成熟，并且在實(shí)際橋梁的檢測評估中得到了廣泛應(yīng)用，對運(yùn)營期橋梁承載能力評定提供了有效、最直接的方法。橋梁動力荷載試驗(yàn)?zāi)軌虻玫綐蛄航Y(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)及強(qiáng)迫振動響應(yīng)，結(jié)果準(zhǔn)確、可靠，能夠利用其結(jié)果來判斷橋梁的健康狀況，為橋梁的評估提供依據(jù)。