王高科，蔡正東

（1.寧波市城建設(shè)計研究院有限公司，浙江 寧波 315012；2.中鐵大橋科學研究院有限公司，湖北 武漢 430034）

0 引 言

目前許多學者不僅關(guān)注鐵路橋梁特別是高速鐵路橋梁的結(jié)構(gòu)安全性，同時也關(guān)注行車的舒適性，《高速鐵路橋梁運營性能檢定規(guī)定（試行）》（TG/GW 209—2014）對鐵路橋梁的自振頻率和振幅都有嚴格的規(guī)定和要求。對于公路橋梁而言，有關(guān)橋梁行車引起人的舒適性問題研究并不多，《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》（JTG-T-J21-01—2015）也僅是對橋梁模態(tài)的測試作了較為詳細的說明，但對橋梁在車輛荷載作用下的動力響應(yīng)方面描述較少。

本文以浙江省某先簡支后連續(xù)鋼混組合梁為工程背景，對該橋進行了動力試驗。在進行橋梁制動試驗時，感覺到梁體水平晃動非常厲害。通過分析該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，對橋梁舒適性評價進行了研究[1-2]。

1 概述

某4×20 m 先簡支后連續(xù)鋼混組合梁，橫向由4 片鋼縱梁組成，梁高1.33 m，鋼縱梁上方通過剪力釘與厚為20 cm 的混凝土形成組合梁結(jié)構(gòu)。橋梁分左右2 幅，每幅橋面凈寬11.25 m；每片鋼梁底部采用GJZF4 和GJZ 兩種類型板式橡膠支座。橋墩采用鋼筋混凝土空心薄壁墩和樁柱式橋墩，其中5# 墩高63.41 m，6# 墩高45.77 m，7# 墩高25.77 m，8# 墩高10.07 m，橋臺采用座板臺。

組合梁縱斷面圖見圖1，標準斷面圖見圖2。

圖1 組合梁縱斷面圖（單位：cm）

圖2 組合梁標準斷面圖（單位：cm）

2 動力測試方案

動力測試主要包括脈動試驗和強迫振動試驗。其中強迫振動試驗包括跑車試驗、跳車試驗和剎車試驗。脈動試驗和跑車試驗測點布置圖見圖3。

圖3 脈動試驗和跑車試驗測點布置圖（單位：cm）

對該橋進行動載試驗時，發(fā)現(xiàn)在試驗荷載（重350 kN）下剎車時，該橋跨橋面上試驗人員明顯感覺到梁體的水平晃動，但尚在人體忍受范圍內(nèi)。為了分析晃動原因，對不同車速下的剎車工況進行了補充測試，測試速度包括30 km/h、40 km/h、50 km/h、60 km/h。

剎車試驗縱向測點布置圖見圖4。

圖4 剎車試驗縱向測點布置圖

3 測試結(jié)果分析

3.1 脈動試驗測試結(jié)果分析

脈動試驗測試結(jié)果見表1。

表1 脈動試驗測試結(jié)果

由表1 可知，實測1 階豎向?qū)ΨQ彎曲振動頻率為3.691 Hz，計算值為3.677 Hz，實測值大于計算值，說明實橋的豎向動力剛度滿足《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》（JTG/T J21-01—2015）第6.6.8 條的要求。實測阻尼比為0.702%～1.185%。

3.2 跑車和跳車試驗測試結(jié)果分析

跑車試驗時主要測點實測振幅值見表2，跳車試驗時主要測點實測振幅值見表3。

由表2、表3 可知：跑車試驗時主橋主梁豎向最大振幅實測值為0.30 mm；跳車試驗時邊跨最大振幅實測值為0.40 mm，中跨最大振幅實測值為0.36 mm。所有測點實測振幅值均不大，在合理范圍之內(nèi)。

表2 跑車試驗時主要測點實測振幅值 單位：mm

表3 跳車試驗時主要測點實測振幅值 單位：mm

3.3 剎車工況測試結(jié)果分析

3.3.1 動力響應(yīng)曲線分析

通過分析30～60 km/h 不同車速下各測點的時程曲線，可以發(fā)現(xiàn)在試驗車輛剎車后，橋面縱向測點有一個較大的響應(yīng)，并在較短時間內(nèi)恢復(fù)正常。圖5為50 km/h 車速下在中跨L/2 處剎車時各測點的時程曲線。對該時程曲線進行頻域分析，可以得到各縱向測點幅值功率譜的振動頻率為1.152 Hz。圖6 為50 km/h 車速下在中跨L/2 處剎車時各測點的幅值功率譜。

圖5 50 km/h 車速下在中跨L/2 處剎車時各測點的時程曲線

圖6 50 km/h 車速下在中跨L/2 處剎車時各測點的幅值功率譜

3.3.2 動力響應(yīng)結(jié)果分析

通過分析30～60 km/h 不同車速下的剎車工況動力響應(yīng)結(jié)果，得到剎車試驗時各測點的縱向振幅值為1.95～2.92 mm（見表4）；強迫振動頻率為0.918～1.152 Hz（見表5）；剎車工況下的阻尼比為6.766%～10.248%（見表6）。由此可見，不同車速下剎車工況的動力響應(yīng)值比較接近，動力響應(yīng)頻率在1 Hz 左右，縱向阻尼比較大，因此動力響應(yīng)能量能在較短時間內(nèi)衰減完畢。

表4 剎車試驗時各測點縱向振幅測試值 單位：mm

表5 不同車速下剎車時各測點強迫振動頻率 單位：Hz

表6 不同車速下剎車時各測點阻尼比 單位：%

3.4 舒適性評價分析

根據(jù)文獻[3]，實際上人在步行狀態(tài)下對豎向2 Hz和水平1 Hz 左右的振動較敏感，而剎車工況下動力響應(yīng)頻率均在1 Hz 左右，因此會造成人對振動有較大的感覺。本文通過狄克曼指標對振動敏感度進行評價[4-5]。狄克曼指標K 又稱振動敏感度，橫向振動的狄克曼指標K 的計算式為：

式中：D 表示振動幅值；f 表示強迫振動頻率。

狄克曼指標的評價標準見表7，不同車速下剎車時順橋向的狄克曼指標K 值見表8。

表7 狄克曼指標評價表

由表8 可知，不同車速下剎車時順橋向K 值為1～10 之間，表明順橋向振動在人體可以忍受的范圍，與實際情況吻合。

表8 不同車速下剎車時順橋向狄克曼指標K 值

3.5 振動原因分析

該橋為4 跨先簡支后連續(xù)鋼混組合梁，每片梁底均設(shè)置有矩形橡膠支座，其中5#橋墩最高超過60 m。考慮到橋墩縱向剛度較弱，剎車試驗時，橋墩在縱向沖擊力下會來回晃動，導(dǎo)致梁體縱向振動較大，使人感覺明顯晃動。另外，該橋未在剛度較大的墩臺上設(shè)置固定支座，是導(dǎo)致梁體縱向水平晃動厲害的間接原因。建議在此類橋梁剛度較大的墩臺處設(shè)置固定支座，以使橋梁行車舒適性更佳。

4 結(jié) 語

（1）動力特性結(jié)果表明該橋動力剛度滿足設(shè)計和規(guī)范要求。

（2）該橋順橋向振動處于人體容易感受到的頻域范圍，目前橋梁順橋向振幅最大值不超過3 mm，且橋梁順橋向阻尼比較大，在剎車后橋梁縱向能夠立即消能，伸縮縫工作均正常，表明該振動對橋梁安全運營影響不大。

（3）目前規(guī)范中關(guān)于梁橋振動研究以及評價指標較少，本文所采用的評價方法可為同類橋梁提供參考。

（4）建議高墩橋梁設(shè)計中，在剛度較大的墩臺處設(shè)置固定支座。