周 毅 （安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230032）

0 前言

橋梁動(dòng)載試驗(yàn)涉及的問(wèn)題和所有工程振動(dòng)試驗(yàn)研究的問(wèn)題相似，基本可以歸納為三個(gè)方面：橋梁外部振源、結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性和動(dòng)力響應(yīng)。橋梁外部振源是引起橋梁振動(dòng)的外作用，包括移動(dòng)荷載振動(dòng)的激勵(lì)或風(fēng)、地震等。結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性是橋梁的固有特性，主要包括頻率、振型和阻尼三個(gè)主要參數(shù)，它們是橋梁動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中最基本的內(nèi)容。動(dòng)力響應(yīng)表示橋梁在特定動(dòng)荷載作用下的動(dòng)態(tài)輸出，主要包括動(dòng)應(yīng)變、動(dòng)撓度、動(dòng)力放大系數(shù)等參數(shù)。本文結(jié)合某橋動(dòng)載試驗(yàn)實(shí)例，對(duì)動(dòng)力特性、動(dòng)力響應(yīng)的測(cè)試內(nèi)容和方法進(jìn)行闡述，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

1 工程概況

某橋?yàn)?×30m簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)小箱梁橋，總長(zhǎng)120m，斜度為10度。橋面寬度：2.5m（人行道）+2.5m（非機(jī)動(dòng)車道）+1.75m（分隔帶）+16.5m（機(jī)動(dòng)車道）+1.75m（分隔帶）+2.5m（非機(jī)動(dòng)車道）+2.5m（人行道）=30m。上部結(jié)構(gòu)采用30m跨標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制小箱梁，后張法預(yù)應(yīng)力體系，梁高1.6m。下部結(jié)構(gòu)橋墩采用樁柱式橋墩，墩柱直徑1.4m，樁基直徑1.6m；橋臺(tái)采用樁接蓋梁橋臺(tái)，樁基直徑1.6m。

2 測(cè)試內(nèi)容及方法

2.1 動(dòng)力特性測(cè)試

2.1.1 測(cè)試參數(shù)

結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性是橋梁的固有特性，也稱結(jié)構(gòu)自振特性參數(shù)或振動(dòng)模態(tài)參數(shù)，主要包括三個(gè)主要參數(shù)：自振頻率、振型和阻尼比。

2.1.2 試驗(yàn)方法

測(cè)試和分析結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的激振方法可根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、測(cè)試的精度要求、方便性及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定，宜采用環(huán)境隨機(jī)激振法、行車激振法和跳車激振法，也可以采用起振機(jī)激振法或其他激振方法。

①環(huán)境隨機(jī)激振法

在橋面無(wú)任何交通荷載以及橋址附近無(wú)規(guī)則振源的情況下，通過(guò)測(cè)定橋梁由風(fēng)荷載、地脈動(dòng)、水流等隨機(jī)激振引起的微幅振動(dòng)來(lái)識(shí)別結(jié)構(gòu)自振特性參數(shù)。

②行車激振法

利用車輛駛離橋面后引起的橋梁結(jié)構(gòu)余振信號(hào)來(lái)識(shí)別結(jié)構(gòu)自振特性參數(shù)，對(duì)小阻尼橋梁效果較好。為提高信噪比，獲取盡可能大的余振信號(hào)，可采用不同的車速進(jìn)行多次試驗(yàn)，或在橋跨特征截面設(shè)置弓形障礙物進(jìn)行激振。通常結(jié)合行車動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)統(tǒng)籌考慮獲取余振信號(hào)。

③跳車激振法

通過(guò)讓單輛載重汽車的后輪在指定位置從三角形墊塊上突然下落時(shí)對(duì)橋梁產(chǎn)生沖擊作用，激起橋梁的振動(dòng)。該方法更適合用于其他方法不易激振的、剛度較大的橋梁，如石拱橋、小跨經(jīng)梁式橋等。

2.1.3 測(cè)試截面與測(cè)點(diǎn)布置

橋梁動(dòng)力特性的測(cè)試截面應(yīng)根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)振型特征確定。根據(jù)理論振型分析結(jié)果，該橋按各跨四等分截面簡(jiǎn)化布置，每個(gè)截面在非機(jī)動(dòng)車道邊緣布設(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn)。拾振器的具體布置情況如圖1、2。

圖1 動(dòng)力特性測(cè)試斷面示意圖（單位：m）

圖2 拾振傳感器橫向布置示意圖

2.1.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

結(jié)構(gòu)自振頻率可采用頻譜分析法、波形分析法或模態(tài)分析法得到，宜取用多次試驗(yàn)、不同分析方法的結(jié)果相互驗(yàn)證。橋梁結(jié)構(gòu)阻尼可采用波形分析法、半功率帶寬法或模態(tài)分析法得到，宜取用多次試驗(yàn)所得結(jié)果的均值。振型參數(shù)宜采用環(huán)境激振等方法進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別，宜采用專用軟件進(jìn)行分析，可同時(shí)得到振型、固有頻率及阻尼比等參數(shù)。

2.1.6 試驗(yàn)結(jié)果分析

橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析應(yīng)通過(guò)下列方法進(jìn)行：

①比較實(shí)測(cè)自振頻率與計(jì)算頻率，實(shí)測(cè)頻率大于計(jì)算頻率時(shí)，可認(rèn)為結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度大于理論剛度，反之則實(shí)際剛度偏小。

②比較實(shí)測(cè)振型與計(jì)算振型，若橋梁結(jié)構(gòu)存在或出現(xiàn)缺損時(shí)，會(huì)造成振型的變異，一般來(lái)講，變異區(qū)段即為缺損所在區(qū)段。

③橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性三個(gè)參數(shù)中，阻尼比是唯一依賴實(shí)測(cè)得到的。實(shí)測(cè)阻尼比的大小反映了橋梁結(jié)構(gòu)耗散外部能量輸入的能力，阻尼比大，說(shuō)明橋梁結(jié)構(gòu)耗散外部能量輸入的能力強(qiáng)，振動(dòng)衰減得快；反之橋梁結(jié)構(gòu)耗散外部能量輸入的能力差，振動(dòng)衰減得慢。但是，過(guò)大的阻尼比則說(shuō)明橋梁結(jié)構(gòu)可能存在開(kāi)裂或支座工作狀況不正常等現(xiàn)象。

2.2 動(dòng)力響應(yīng)測(cè)試

2.2.1 測(cè)試參數(shù)

結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)表示橋梁在特定動(dòng)荷載作用下的動(dòng)態(tài)輸出，主要包括動(dòng)應(yīng)變、動(dòng)撓度和動(dòng)力放大系數(shù)等參數(shù)。根據(jù)該橋?qū)嶋H并達(dá)到檢測(cè)目的的要求，本次通過(guò)測(cè)試動(dòng)應(yīng)變來(lái)獲得不同試驗(yàn)工況下的動(dòng)力放大系數(shù)。

2.2.2 試驗(yàn)工況

①無(wú)障礙行車試驗(yàn)

采用接近運(yùn)營(yíng)條件且滿足試驗(yàn)荷載效率的四輛各30t三軸載重汽車分別以20km/h、30km/h、40km/h、50km/h、60km/h的車速通過(guò)測(cè)試截面。

②有障礙行車試驗(yàn)

采用一輛30t三軸載重汽車以20km/h的車速通過(guò)測(cè)試截面上的障礙物（厚度為5cm的方木）。

③制動(dòng)試驗(yàn)

采用一輛30t三軸載重汽車以30km/h車速在測(cè)試截面上制動(dòng)。

2.2.3 測(cè)試截面與測(cè)點(diǎn)布置

橋梁動(dòng)力響應(yīng)的測(cè)試截面應(yīng)根據(jù)行車動(dòng)力響應(yīng)最大的原則確定。根據(jù)該橋結(jié)構(gòu)布置和現(xiàn)場(chǎng)條件，選取第4跨的跨中截面為測(cè)試截面，具體應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置如圖3。

圖3 測(cè)試截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置示意圖

2.2.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

各試驗(yàn)工況下動(dòng)力放大系數(shù)應(yīng)根據(jù)儀器記錄的動(dòng)應(yīng)變曲線（圖2.2.2）進(jìn)行分析，并按下列公式計(jì)算：

式中：μdyn—?jiǎng)恿Ψ糯笙禂?shù)；

Smax—車輛行駛時(shí)，動(dòng)態(tài)車輛荷載作用下測(cè)點(diǎn)的最大應(yīng)變值（波峰值）；

Smin—車輛行駛時(shí)，動(dòng)態(tài)車輛荷載作用下測(cè)點(diǎn)的最小應(yīng)變值（同周期的波谷值）；

Smean—車輛行駛時(shí)，動(dòng)態(tài)車輛荷載作用下測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變算數(shù)平均值。

圖4 動(dòng)應(yīng)變曲線示意圖

動(dòng)力放大系數(shù)宜取同截面（或部位）多個(gè)測(cè)點(diǎn)的均值，進(jìn)行多次試驗(yàn)時(shí)可取該工況下的最大值。

2.2.5 試驗(yàn)結(jié)果分析

比較實(shí)測(cè)動(dòng)力放大系數(shù)與設(shè)計(jì)取用的沖擊系數(shù)，實(shí)測(cè)值大于設(shè)計(jì)值時(shí)應(yīng)分析原因。

3 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果

3.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

根據(jù)設(shè)計(jì)資料采用Midas/civil 2019建立該橋空間有限元模型進(jìn)行成橋階段分析，即在成橋狀態(tài)下分析該橋跨結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。采用梁?jiǎn)卧M小箱梁、端橫梁和跨中橫隔板，采用虛擬梁?jiǎn)卧ú挥?jì)重量）模擬橫向聯(lián)系，采用“彈性連接”中的“剛性”將梁與支座進(jìn)行連接，模型共1539個(gè)節(jié)點(diǎn)，2807個(gè)單元。橋跨結(jié)構(gòu)計(jì)算模型以及前二階自振頻率和振型如圖5～7所示。

圖5 計(jì)算模型

圖6 橋跨計(jì)算一階振型（f1=2.95Hz）

圖7 橋跨計(jì)算二階振型（f2=3.40Hz）

3.2 動(dòng)力特性測(cè)試

采用無(wú)線橋梁模態(tài)測(cè)試分析系統(tǒng)對(duì)環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)、行車余振信號(hào)進(jìn)行采集并進(jìn)行分析處理，可識(shí)別出該橋跨結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性參數(shù)。實(shí)測(cè)豎向振動(dòng)速度時(shí)域信號(hào)及其對(duì)應(yīng)的功率譜如圖8～10，實(shí)測(cè)一階振型如圖11～12，實(shí)測(cè)自振頻率和阻尼比與理論計(jì)算值對(duì)照如表1所示：

圖8 環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)時(shí)域信號(hào)

圖9 行車余振時(shí)域信號(hào)

圖10 功率譜

圖11 實(shí)測(cè)一階振型

圖12 實(shí)測(cè)二階振型

自振頻率和阻尼比測(cè)試結(jié)果 表1

通過(guò)上述數(shù)據(jù)分析可知，該橋?qū)崪y(cè)前兩階豎向彎曲振動(dòng)頻率分別為3.81Hz、4.30Hz，均較理論計(jì)算值2.95 Hz、3.40 Hz大；實(shí)測(cè)前兩階阻尼比分別為2.0%、1.6%；實(shí)測(cè)前兩階振型與計(jì)算一階振型基本吻合，未見(jiàn)明顯變異區(qū)段；因此該橋跨結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 動(dòng)力響應(yīng)測(cè)試

采用無(wú)線動(dòng)態(tài)應(yīng)變采集器對(duì)各試驗(yàn)工況的動(dòng)應(yīng)變曲線進(jìn)行采集、分析，可計(jì)算出該橋跨結(jié)構(gòu)測(cè)試截面的動(dòng)力放大系數(shù)。實(shí)測(cè)動(dòng)應(yīng)變曲線如圖13～15，各試驗(yàn)工況實(shí)測(cè)動(dòng)力放大系數(shù)與設(shè)計(jì)取用的沖擊系數(shù)對(duì)照如表2所示。

圖13 無(wú)障礙行車試驗(yàn)動(dòng)應(yīng)變曲線

圖14 有障礙行車試驗(yàn)動(dòng)應(yīng)變曲線

圖15 制動(dòng)試驗(yàn)動(dòng)應(yīng)變曲線

動(dòng)力放大系數(shù)測(cè)試結(jié)果 表2

通過(guò)上述數(shù)據(jù)分析可知，在無(wú)障礙行車工況下，該橋測(cè)試截面的動(dòng)力放大系數(shù)基本隨車速的提高而提高；在有障礙行車工況下，該橋測(cè)試截面的動(dòng)力放大系數(shù)較大，表明橋面的平整度對(duì)車輛的沖擊效應(yīng)影響較大。

4 結(jié)論

動(dòng)力特性：該橋?qū)崪y(cè)前兩階豎向彎曲振動(dòng)頻率分別為3.81Hz、4.30Hz，均較理論計(jì)算值2.95 Hz、3.40 Hz大；實(shí)測(cè)前兩階阻尼比分別為2.0%、1.6%；實(shí)測(cè)前兩階振型與計(jì)算一階振型基本吻合，未見(jiàn)明顯變異區(qū)段；因此該橋跨結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性滿足設(shè)計(jì)要求。

動(dòng)力響應(yīng)：在無(wú)障礙行車工況下，該橋測(cè)試截面的動(dòng)力放大系數(shù)基本隨車速的提高而提高；在有障礙行車工況下，該橋測(cè)試截面的動(dòng)力放大系數(shù)較大，表明橋面的平整度對(duì)車輛的沖擊效應(yīng)影響較大。