王一平

(南京科興工程建設(shè)項(xiàng)目管理有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210039)

橋梁是交通樞紐中重要的組成部分，橋梁結(jié)構(gòu)的安全關(guān)乎著每一個公民的人身財產(chǎn)安全，因此，對橋梁結(jié)構(gòu)工作性能的準(zhǔn)確判斷顯得尤為重要，然而，經(jīng)常性檢查、定期檢查等常規(guī)性檢查往往很難發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)中的隱蔽缺陷，恰好荷載試驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)。隨著計(jì)算機(jī)和高靈敏低功耗傳感器等技術(shù)的快速發(fā)展，荷載試驗(yàn)在實(shí)際工程中的應(yīng)用更加的普遍和成熟了，橋梁結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量是否滿足設(shè)計(jì)要求，運(yùn)營橋梁的實(shí)際工作狀態(tài)和實(shí)際承載能力是否符合安全適用要求都可以通過荷載試驗(yàn)來準(zhǔn)確掌握，相比于靜荷載試驗(yàn)，動荷載試驗(yàn)具有方便易行、快速和低成本等特點(diǎn)，是橋梁檢測技術(shù)的研究和發(fā)展方向。

1 動荷載試驗(yàn)

1.1 動荷載試驗(yàn)的目的

橋梁是一種既承受恒荷載(例如結(jié)構(gòu)自重)又承受動荷載(例如車輛荷載)的受力體。橋梁在移動車輛荷載、地震荷載和風(fēng)荷載的作用下往往會發(fā)生受迫振動，因此，為了能充分了解結(jié)構(gòu)抵抗振動的能力，保證結(jié)構(gòu)的運(yùn)營安全，同時為橋梁的設(shè)計(jì)、施工、檢測等提供技術(shù)資料，動荷載試驗(yàn)是一種較好的技術(shù)手段。橋梁動荷載試驗(yàn)的具體目的如下。

(1)通過動力荷載試驗(yàn)，了解橋梁結(jié)構(gòu)的固有振動特性，例如自振頻率、振型和阻尼比。

(2)通過動荷載試驗(yàn)，測得在移動車輛荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際的動態(tài)增量，進(jìn)而判別結(jié)構(gòu)在受到不同動荷載作用下的動態(tài)反應(yīng)是否在橋梁的一般容許范圍內(nèi)，即通過測量結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)參數(shù)(例如動撓度、動應(yīng)變、振動速度、動力加速度等)來判斷橋梁結(jié)構(gòu)的動力穩(wěn)定性。

(3)通過動荷載試驗(yàn)測得的動力響應(yīng)參數(shù)分析得出結(jié)構(gòu)的實(shí)際沖擊系數(shù)，將橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)測沖擊系數(shù)與理論沖擊系數(shù)進(jìn)行對比分析，得出沖擊系數(shù)的影響因素及結(jié)構(gòu)的動力安全性能。

(4)通過現(xiàn)場加載試驗(yàn)以及對試驗(yàn)觀測數(shù)據(jù)和試驗(yàn)現(xiàn)象的綜合分析，對實(shí)際結(jié)構(gòu)作出總體評價，為橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)營安全性及竣工驗(yàn)收提供技術(shù)依據(jù)。

1.2 動荷載試驗(yàn)的內(nèi)容與方法

橋梁的動荷載試驗(yàn)一般是針對大橋、特大橋的主跨來進(jìn)行的，主要內(nèi)容包括脈動試驗(yàn)測試橋跨結(jié)構(gòu)的自振特性(豎向主要階次)和行車激振試驗(yàn)測試結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)。

(1)脈動試驗(yàn)：在橋面無任何交通荷載以及橋址附近無規(guī)則振源的情況下，通過高靈敏度動力測試系統(tǒng)測定橋址處風(fēng)荷載、地脈動、水流等隨機(jī)荷載激振而引起橋跨結(jié)構(gòu)的微小振動響應(yīng)，測得結(jié)構(gòu)的自振頻率等動力學(xué)特征。

(2)跑車試驗(yàn)：在橋面無任何障礙的情況下，采用一輛滿重40 t的試驗(yàn)車以車速為10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h勻速通過橋跨結(jié)構(gòu)，由于在行駛過程中對橋面產(chǎn)生沖擊作用，從而使橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動。通過動力測試系統(tǒng)測定橋跨結(jié)構(gòu)主要控制截面測點(diǎn)的動力響應(yīng)時間歷程曲線和車輛對橋面沖擊系數(shù)。

(3)跳車試驗(yàn)：跳車試驗(yàn)?zāi)M的是橋面鋪裝存在缺陷、坑槽等不平整因素時的結(jié)構(gòu)振動情況。試驗(yàn)時，在預(yù)定的測試截面上放置一塊15 cm左右高的三角形墊塊，斜邊朝向汽車，用一輛40 t載重車在10 km/h的速度下后輪從墊塊上突然落下，立即停車，從而對橋梁產(chǎn)生沖擊作用，激起橋梁的豎向振動，但需要注意的是此時的結(jié)構(gòu)振動是附加試驗(yàn)車質(zhì)量的衰減振動。

(4)剎車試驗(yàn)：剎車試驗(yàn)是模擬橋上車輛緊急制動時結(jié)構(gòu)的振動情況。試驗(yàn)時，讓一輛40 t載重主車分別以10 km/h、20 km/h的車速勻速行駛到主橋跨中時實(shí)施緊急制動，使其產(chǎn)生較大的制動力而對橋梁產(chǎn)生一定的沖擊作用，測定結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)。

動荷載試驗(yàn)是一種自動化程度較高的測試方法。在脈動實(shí)驗(yàn)中，通常用加速度、速度傳感器作拾振器，經(jīng)電荷放大，然后進(jìn)行信號處理，最后繪制結(jié)構(gòu)振動的時域曲線或頻譜分析曲線，得出想要的自振參數(shù)。激振試驗(yàn)通常采用位移、應(yīng)變、速度或者加速度傳感器來獲取橋梁結(jié)構(gòu)受迫振動時響應(yīng)情況和動態(tài)增量，繪出響應(yīng)變量的時域曲線或頻域曲線，最后得出想要的動力系數(shù)。

1.3 測試截面及測點(diǎn)布置

(1)脈動試驗(yàn)。監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)自振特性時，將速度或加速度拾振器放置在各跨的四分點(diǎn)斷面處，沿欄桿內(nèi)側(cè)分上、下游兩條線布置測點(diǎn)，按照順序?qū)γ總€斷面進(jìn)行測試。

(2)激勵振動試驗(yàn)。激勵振動試驗(yàn)動應(yīng)變測點(diǎn)布設(shè)，一般布置在主橋每一跨的1/2跨處，動態(tài)電阻應(yīng)變儀一般粘貼在箱梁底面，對稱于橋梁縱向軸線布設(shè)。

1.4 動荷載試驗(yàn)的應(yīng)用

馬汊河大橋是(65+110+65)m變高度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，設(shè)計(jì)荷載等級為公路I級，箱梁采用單箱單室斷面形式，主橋箱梁采用掛籃懸臂澆筑結(jié)合部分支架現(xiàn)澆施工，除0#節(jié)段及邊跨現(xiàn)澆段采用支架現(xiàn)澆外，其余節(jié)段均采用對稱平衡懸臂逐段澆筑法施工。單個“T構(gòu)”除0#塊以外共分為14個節(jié)段，主墩墩頂處0#節(jié)段總長10 m，1#～14#節(jié)段縱向分段長度為(4×3.0+6×3.5+4×4.0)m，中跨及邊跨合攏段長度均為2.0 m，邊跨現(xiàn)澆段長度分別為8.84 m。主橋箱梁頂面設(shè)置6 cm厚C40混凝土調(diào)平層，橋面鋪裝采用4 cm SMA-13(SBS改性瀝青)+6 cm AC-20C(SBS改性瀝青)共10 cm厚瀝青混凝土。為了檢測該橋承載能力、適用狀況是否滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，保證橋梁的運(yùn)營安全和行車舒適性，對此橋?qū)嵤﹦雍奢d試驗(yàn)。

(1)自振頻率計(jì)算與檢測結(jié)果分析

本次計(jì)算采用橋梁結(jié)構(gòu)有限元分析軟件Midas/Civil 2015版對結(jié)構(gòu)進(jìn)行特征值分析，采用梁單元進(jìn)行模擬，橋面鋪裝和防撞墻作為附加質(zhì)量作用于主梁上，模型共96個節(jié)點(diǎn)，95個單元，計(jì)算模型如圖1所示，主梁理論計(jì)算一階振型如圖2所示。

圖1 結(jié)構(gòu)動力特性計(jì)算模型

圖2 主梁理論計(jì)算一階振型圖

通過結(jié)構(gòu)動力學(xué)的學(xué)習(xí)我們知道，橋梁結(jié)構(gòu)是由無數(shù)多個質(zhì)量體組成的，每個質(zhì)量體按照三個自由度計(jì)算，則橋梁上部結(jié)構(gòu)也有無窮多個自由度，結(jié)構(gòu)的自振頻率數(shù)等于自由度數(shù)，因此結(jié)構(gòu)存在無窮多階自振頻率，但是，結(jié)構(gòu)體整體振動的快慢、振動的形態(tài)往往是由低階振型決定的，結(jié)構(gòu)的第一階頻率(基頻)對結(jié)構(gòu)體的振動貢獻(xiàn)最大，因此此橋只計(jì)算它的基頻。通過建模理論計(jì)算，求得該橋豎向一階自振頻率為1.054 Hz。

因?yàn)楸緲蚴侨鐚ΨQ結(jié)構(gòu)，由結(jié)構(gòu)動力學(xué)的知識可知：結(jié)構(gòu)質(zhì)量對稱，振型必對稱或反對稱。因此，脈動試驗(yàn)可取半邊結(jié)構(gòu)的四分點(diǎn)來測得結(jié)構(gòu)的自振頻率，根據(jù)現(xiàn)場速度傳感器采集的數(shù)據(jù)，對時間波形進(jìn)行頻譜分析，得到結(jié)構(gòu)的FFT平均譜，如圖3所示。

圖3 脈動試驗(yàn)時結(jié)構(gòu)振動曲線頻譜分析圖

從圖3可以看出，該橋的一階自振頻率的實(shí)測值為1.42 hz，實(shí)測值大于理論計(jì)算值(1.054 Hz)，說明此橋的整體剛度成理想狀態(tài)，滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)受迫振動測試結(jié)果與分析

激振試驗(yàn)測的是橋跨結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，即移動荷載作用下各技術(shù)指標(biāo)的動態(tài)增大效應(yīng)，最終求得各工況下結(jié)構(gòu)的動力系數(shù)。該橋通過動態(tài)電阻應(yīng)變儀來測得結(jié)構(gòu)的動應(yīng)變，動應(yīng)變測試截面為主跨跨中截面，測點(diǎn)布置在箱梁底面兩側(cè)。

動力系數(shù)可根據(jù)控制截面測點(diǎn)在行車試驗(yàn)時記錄的動應(yīng)變曲線進(jìn)行分析處理而得，具體計(jì)算公式：μ=2Ydmax/(Ydmax+Ydmin)，其中μ為動力系數(shù)；Ydmax為主橋跨中截面測點(diǎn)最大動應(yīng)變峰值；Ydmin為主橋跨中截面測點(diǎn)最大動應(yīng)變谷值；(Ydmax+Ydmin)/2為主橋跨中截面測點(diǎn)最大靜應(yīng)變值。

跑車試驗(yàn)下結(jié)構(gòu)動應(yīng)變時間歷程響應(yīng)曲線如圖4～圖7所示。

圖4 車速10 km/h跑車試驗(yàn)動應(yīng)變曲線

圖5 車速20 km/h跑車試驗(yàn)動應(yīng)變曲線

圖6 車速30 km/h跑車試驗(yàn)動應(yīng)變曲線

圖7 車速30 km/h跑車試驗(yàn)動應(yīng)變曲線

從圖4至圖7中可以看到主橋跨中截面處動應(yīng)變的整體趨勢。最后，經(jīng)數(shù)據(jù)處理分析得到跑車試驗(yàn)下該橋的動力系數(shù)，具體結(jié)果詳見表1。由表1可知：橋梁結(jié)構(gòu)的動力系數(shù)與車輛行駛速度并非呈正比關(guān)系，而是受橋梁自振頻率與車輛自身振動頻率的接近程度的影響，二者頻率越靠近，結(jié)構(gòu)振動的越厲害。同時，試驗(yàn)跨在不同車速下，動力系數(shù)均小于理論計(jì)算值1.05，表明此橋路面平整，車輛對橋梁的沖擊較小。

表1 跑車試驗(yàn)動力系數(shù)測定值

跳車試驗(yàn)?zāi)M的是當(dāng)橋面鋪裝凹凸不平，例如存在坑槽、破損等病害時橋梁的振動情況。跳車試驗(yàn)下結(jié)構(gòu)動應(yīng)變時間歷程響應(yīng)曲線如圖9所示，通過對此曲線數(shù)據(jù)分析，得出此時的動力系數(shù)值為1.021，與跑車試驗(yàn)行車速度10 km/h時的動力系數(shù)值1.006相比增大了不少，動力系數(shù)值越大，對橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力越不利，同時還大大影響人們的行車舒適性。因此保證橋面線形平順、鋪裝層平整無破損顯得尤為重要。

圖8 車速10 km/h跳車試驗(yàn)動應(yīng)變曲線

2 結(jié) 語

橋梁動荷載試驗(yàn)是了解運(yùn)營橋梁整體工作狀態(tài)和評定新建橋梁是否滿足設(shè)計(jì)要求的一項(xiàng)重要技術(shù)手段，動荷載試驗(yàn)是橋梁靜荷載試驗(yàn)的補(bǔ)充與發(fā)展，二者一起準(zhǔn)確的診斷橋梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度，發(fā)現(xiàn)常規(guī)檢測難以發(fā)現(xiàn)的隱蔽缺陷，為橋梁結(jié)構(gòu)的安全良好運(yùn)營保駕護(hù)航。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展與應(yīng)用，動荷載試驗(yàn)必將成為一種更加精確、便捷和智能的橋梁檢測手段。