杜 婷，劉莉萍，楊 陽(yáng)

(1.隴東學(xué)院土木工程學(xué)院,甘肅 慶陽(yáng) 745000; 2.甘肅省高校黃土工程性質(zhì)及工程應(yīng)用省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 慶陽(yáng) 745000)

0 引言

我國(guó)早期建造的中小橋梁,隨著運(yùn)營(yíng)年限增加,大部分出現(xiàn)損傷和病害等問(wèn)題,為了避免安全事故的發(fā)生,如何評(píng)估通行期間的承載特性和運(yùn)營(yíng)情況可以通過(guò)定期的相關(guān)檢測(cè)來(lái)獲取[1-3]。根據(jù)《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》[4],通過(guò)橋梁荷載試驗(yàn)可以有效評(píng)定已建橋梁的實(shí)際承載特性,為該橋繼續(xù)通行和維修養(yǎng)護(hù)提供理論支撐[5-8]。目前可以通過(guò)裂縫分析[9-13]、健康監(jiān)測(cè)[14]和有限元分析[15-16]等方法對(duì)混凝土板橋的承載特性進(jìn)行檢測(cè)評(píng)估,而橋梁剛度、整體性和車輛運(yùn)營(yíng)安全性等特性還需根據(jù)其動(dòng)力特性進(jìn)行評(píng)判[17-18]。

本文以我國(guó)G309國(guó)道K1264+300處的混凝土板橋馬蓮河橋?yàn)檠芯繉?duì)象,馬蓮河橋的橋墩和梁體均出現(xiàn)不同程度的開(kāi)裂,部分支座出現(xiàn)傾斜和銹蝕,已影響車輛正常運(yùn)行。通過(guò)對(duì)該橋采用有限元仿真模擬與橋梁動(dòng)載試驗(yàn),評(píng)估其自振頻率、振型、阻尼比等動(dòng)力性能指標(biāo),為既有板橋正常工作性能的檢測(cè)和評(píng)定方法積累技術(shù)資料。

1 板橋概況

馬蓮河板橋于1975年10月8日建成,該橋橋跨結(jié)構(gòu)采用7孔跨徑為22.2 m的鋼筋混凝土T型簡(jiǎn)支梁,由5片T梁組成,T梁凈高135 cm,翼板高8 cm～14 cm,寬160 cm,橋梁全長(zhǎng)170.5 m,橋面總寬8.5 m,凈寬7.0 m,兩側(cè)各設(shè)置0.75 m的人行道,兩車道雙向行車,橋上凈高4.5 m,橋下凈高22.7 m,橋墩為重力式橋墩,橋臺(tái)為U型橋臺(tái),基礎(chǔ)為擴(kuò)大基礎(chǔ),支座為球形支座。主梁采用C25混凝土,橋面鋪裝、墩帽和臺(tái)柱都采用C20混凝土,設(shè)計(jì)荷載為汽—13級(jí),拖—60。

為方便試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄,統(tǒng)計(jì)該橋主要承重構(gòu)件數(shù)量并進(jìn)行編號(hào),具體參見(jiàn)表1。

表1 橋梁構(gòu)件編號(hào)表

2 動(dòng)載試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)原理

為了獲取該既有板橋結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性,檢測(cè)時(shí)采用脈動(dòng)法研究馬蓮河板橋的動(dòng)力特性,即采用數(shù)學(xué)方法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所記錄的各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)的響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行分析。由于脈動(dòng)法監(jiān)測(cè)的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)是橋梁只受大地和外界環(huán)境激勵(lì)時(shí)產(chǎn)生的,振幅較小,因此需在橋面上布置高靈敏度的低頻橫向、豎向和縱向拾振器記錄橋梁振動(dòng)情況,根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)形式,動(dòng)載測(cè)試點(diǎn)主要布置在各跨跨中截面和2號(hào)墩頂截面處,該點(diǎn)包含了較多的環(huán)境激勵(lì)成分,具體布置如圖1所示。

由于采樣時(shí)間越長(zhǎng),頻域數(shù)據(jù)和振型精準(zhǔn)程度越高,試驗(yàn)時(shí)采樣時(shí)間設(shè)置為30 min,可使信號(hào)較平穩(wěn),提高精度。數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)采用與傳感器配套的放大器,將傳感器采得的信號(hào)放大或轉(zhuǎn)化為電壓量,可提供各被測(cè)點(diǎn)的位移參量。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

記錄脈動(dòng)試驗(yàn)得到的第一跨至第七跨豎向、第二跨橫向及縱向脈動(dòng)時(shí)程曲線,通過(guò)傅里葉變換得到頻域信號(hào),利用譜分析可以得到各橋跨的固有自振頻率和頻率分布特征等動(dòng)力參數(shù)。進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí),選用時(shí)間窗函數(shù)進(jìn)行譜分析,并設(shè)置為低通濾波器以確保數(shù)據(jù)的可靠性,同時(shí)選用較多的平均次數(shù)和重疊率以提高信號(hào)譜分析的精確度,據(jù)此得到第二跨的功率譜密度函數(shù)分析曲線如圖2所示。

2.3 頻域計(jì)算法

在計(jì)算橋梁自振頻率和阻尼比的實(shí)測(cè)值時(shí),由于采用大地脈動(dòng)法得到的振動(dòng)幅度值較小,使計(jì)算結(jié)果誤差較大,因此采用頻域計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。為了得到準(zhǔn)確度高的阻尼結(jié)果,采用DASP軟件中的INV頻率計(jì)技術(shù),可以避免頻率分辨率不高使結(jié)果誤差較大的問(wèn)題。INV頻率計(jì)技術(shù)需要采集大容量連續(xù)不間斷的振動(dòng)信號(hào),然后對(duì)所選頻域進(jìn)行傅里葉變換計(jì)算,計(jì)算時(shí)每進(jìn)行一次傅里葉變換都要使用所有數(shù)據(jù)以提高頻率分辨率,進(jìn)而獲取比較高的精度。計(jì)算時(shí)在軟件中選擇“瞬時(shí)頻譜計(jì)算”方法,采用軟件計(jì)算模塊中的“INV阻尼計(jì)法”,會(huì)在所選的“瞬時(shí)頻譜圖”上顯示橋梁結(jié)構(gòu)自振頻率和阻尼比這兩個(gè)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果。

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

根據(jù)馬蓮河板橋的實(shí)際構(gòu)造情況,采用有限元分析軟件Midas/civil建立該橋的數(shù)值計(jì)算模型,通過(guò)模態(tài)分析得到該橋的自振頻率和振型等動(dòng)力參數(shù),并據(jù)此檢定和評(píng)估板橋馬蓮河橋的承載能力、車輛通行能力和整體工作性能等。具體步驟如下:

1)結(jié)構(gòu)離散化。根據(jù)馬蓮河板橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),混凝土T梁、橫隔板和橋墩均采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬;5片T梁采用剛臂連接;同時(shí)對(duì)劃分的單元和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)。

2)結(jié)構(gòu)描述。選取整體坐標(biāo)軸,并輸入結(jié)構(gòu)特征,該板橋各構(gòu)件的性能參數(shù)如表2所示,基礎(chǔ)采用固定約束的形式進(jìn)行模擬。

3)橋上施加的荷載根據(jù)脈動(dòng)試驗(yàn)的特點(diǎn),采用等效荷載的形式將橋面鋪裝、欄桿和人行道等加載到梁上。

4)對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力平衡方程組進(jìn)行求解得到結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型等參數(shù)。

表2 構(gòu)件性能參數(shù)表

根據(jù)上述步驟建立橋梁第二跨的空間有限元計(jì)算模型,如圖3所示。

3.2 自振頻率

在考慮混凝土T梁自身重量、橫隔板質(zhì)量的情況下通過(guò)子空間迭代法對(duì)建立的該板橋第二跨空間模型進(jìn)行模態(tài)分析,理論計(jì)算得到各階振型如圖4所示。子空間迭代法在計(jì)算時(shí)不僅利用rayleigh-ritz法將剛度矩陣和質(zhì)量矩陣在子空間投影,縮減自由度,而且同時(shí)以逆代的形式進(jìn)行迭代,在反復(fù)迭代中使振型逐步趨近精確值,得到橋梁結(jié)構(gòu)自振頻率的理論值。通過(guò)匯總得到馬蓮河板橋縱向、橫向和豎向所對(duì)應(yīng)自振頻率的理論值和實(shí)測(cè)值如表3所示。

由表3可知,馬蓮河板橋縱向和橫向自振頻率的實(shí)測(cè)值分別為3.90 Hz和5.47 Hz,大于計(jì)算值2.09 Hz和4.83 Hz,說(shuō)明橋梁結(jié)構(gòu)縱向和橫向動(dòng)力剛度滿足要求,而豎向自振頻率的實(shí)測(cè)值為4.68 Hz,比計(jì)算值5.98 Hz小,說(shuō)明其豎向剛度不滿足要求,需要采取措施進(jìn)行加固。同時(shí),縱向自振頻率小于橫向自振頻率,說(shuō)明支座對(duì)該橋縱向和橫向的約束效應(yīng)不同,振動(dòng)時(shí)支座的縱向約束大使橋梁縱向按低頻振型振動(dòng),而橫向約束較小使橋梁橫向按較高頻率振型振動(dòng)。

表3 馬蓮河板橋自振頻率的理論值和實(shí)測(cè)值 Hz

3.3 阻尼比

根據(jù)INV頻率計(jì)技術(shù)計(jì)算得到馬蓮河板橋阻尼比的實(shí)測(cè)值如表4所示。

表4 馬蓮河板橋阻尼比實(shí)測(cè)值 %

由表4可知,馬蓮河板橋的橫向和縱向?qū)崪y(cè)阻尼比分別為0.043和0.028 7,滿足橋梁結(jié)構(gòu)阻尼比在0.01～0.08之間的要求,說(shuō)明橋梁結(jié)構(gòu)具有一定耗散外部能量的能力,振動(dòng)衰減較快,滿足繼續(xù)通行條件。而橫向振動(dòng)的阻尼比大于豎向振動(dòng)的阻尼比,主要是由于橫向振動(dòng)時(shí)5片T梁連接的每個(gè)支座都相當(dāng)于一個(gè)耗能元件,提高了系統(tǒng)的阻尼比。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)馬蓮河混凝土板橋進(jìn)行動(dòng)載實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬,得到該橋豎向自振頻率的實(shí)測(cè)值為4.68 Hz小于計(jì)算值5.98 Hz,說(shuō)明該橋的豎向剛度不足,已不滿足設(shè)計(jì)要求。而該板橋縱向和橫向自振頻率的實(shí)測(cè)值為3.90 Hz和5.47 Hz,分別大于計(jì)算值2.09 Hz和4.83 Hz,說(shuō)明其縱向和橫向的動(dòng)力剛度滿足要求。同時(shí)利用INV頻率計(jì)技術(shù)計(jì)算得到該橋橫向振動(dòng)和豎向振動(dòng)時(shí)的阻尼比分別為0.043和0.028 7,說(shuō)明該橋結(jié)構(gòu)具有一定耗散外部能量的能力,振動(dòng)衰減較快,滿足繼續(xù)通行條件。根據(jù)所得結(jié)論,為保證該橋運(yùn)營(yíng)安全,對(duì)其進(jìn)行維修加固建議如下:

1)由于該橋豎向剛度不足,需對(duì)該橋梁體進(jìn)行加固,增強(qiáng)梁體承載力以滿足通行要求。2)對(duì)梁體和墩身的裂縫進(jìn)行修補(bǔ),對(duì)1號(hào)、2號(hào)橋墩進(jìn)行加固。3)加強(qiáng)該橋的維護(hù)和管理,實(shí)行限載通行,以滿足維持交通通行的要求。