变截面箱形连续梁桥动载试验应用分析

王 伟 黄巧燕

（1.福建林业职业技术学院，福建南平353000；2.福建农林大学金山学院，福建 福州350000）

一、工程概况

本项目桥梁位处三明市尤溪县境内，桥纵向轴线与所跨越河流垂直，桥跨设计为（60米+110米+60米）变高度连续箱梁+四跨20米简支梁桥。

变高度连续箱梁部分采用的是C55预应力混凝土，简支梁桥部分采用的是C50预应力空心板。本项目桥梁宽度组成是：12米=1.75米人行道+8.5米双车道行车道+1.75米人行道。公路技术等级为四级，设计速度是20千米每小时，设计荷载是公路-Ⅱ级，地震加速度大小是0.05g，抗震设防裂度为Ⅶ度。主桥平面图、横断面图见图1、图2、图3。

为检测桥梁现状承载能力是否符合规范要求，保证桥梁安全运营，对本桥梁主桥部分（三跨变截面连续箱梁）实施动载试验，以评定桥梁结构的质量，为桥梁养护工作提供依据。

图1 桥梁平面图

图2 主桥墩顶横截面图

图3 主桥跨中横截面图

二、动载试验方案

桥梁结构的动力特性是桥梁结构分析的必要参数。桥梁的动载试验就是在桥梁自振和外荷载作用下，测试动力性能指标，检测指标是否符合设计规范的规定，来判别桥梁结构的刚度和整体受力性能。而所需评价通常情况下主要是主梁的自振频率以及冲击系数。

1、测试项目

⑴环境振动试验。环境振动试验目的是测试结构的自振频率。本试验是在桥面设置传感器，在外界环境作用下（主要指风、地脉动等）造成结构微小振幅，在一段时间内（一般要30分钟以上）记录桥梁振动的时程信号，对其时域、频域分析，最后得出主梁自振特性参数，即自振频率。大跨径桥梁尤其适用这种激振方法。

⑵无障碍行车试验。无障碍行车试验目的是测试结构的冲击系数。本试验是在桥面上作用不同行驶速度的车辆荷载，通过测试桥梁测试点的振幅，进而进行分析，最后得出桥梁冲击系数。其中，无障碍行车试验加载效率=试验荷载下特定截面的实测最大内力（或变形）/设计荷载下特定截面不计冲击的最大内力（或变形）

根据文献 [1]的要求，试验工况要从5～80km/h的范围选多个车速做试验。本试验采用的车辆为单辆，行驶速度有三种，分别是5km/h、10km/h和20km/h，符合规范要求，测试断面为图4中C-C所示。在设计荷载公路-Ⅱ级作用下，C-C截面最大内力为12 476.32kn·m，试验车辆荷载作用下C-C截面最大内力为3619.19kn·m，试验效率根据上式计算为0.29。符合文献[1]不能大于1的要求。

图4 主桥测试截面示意图（单位：cm）

2、测试断面的确定

⑴环境振动试验。检测结构自振特性时，将竖向速度拾振器分别布置到三跨箱型连续梁每跨的L/4、L/2、3L/4处，来测试主梁结构固有频率及阻尼比。布置点位图如图5所示：

图5 主桥环境振动试验测点布置图

⑵无障碍行车试验。无障碍行车试验布置动应变测点，布置在C-C截面的箱梁底面，通过测试三种行驶速度下结构强迫振动时的动应变的时程曲线，根据曲线得出结构冲击系数。动应变测点布置位置如图6：

图6 主桥动应变测点布置图

三、现场检测

变截面箱型梁主桥部分环境振动测试试验和无障碍行车试验在2018年1月实施，环境振动测试试验运用速度传感器，对在外界环境作用在桥梁结构时的振动时程信息进行采集，采集信号的频率定为每秒50次，每个实测点采集30分钟。在试验加载过程中，应根据试验所采集到的数据判断结构是否发生异常状况，若数据异常应立即停止试验以确保安全。试验期间要组织好加载车辆的加载和卸载过程，提前确定车辆加载位置以缩短试验时间。正式车辆荷载加载前应先预加载，检查一下结构的整体稳定性，桥梁若为受到荷载时，采集到的信号不得超过预估最高信号值的5%。全部试验做完之后要对得到的实验数据进行初步的检查，以防出现数据的不完整影响结果判断。分析所测数据时要剔除异常的数据。

四、环境振动测试分析

1、实测数据

在大桥桥面设置的速度传感器，采集环境振动时振动速度信号，最终测得该桥环境振动时程曲线，横坐标为时间，纵坐标为时域数据。

通过对这几个测点的速度时程曲线的模态分析，从主桥环境振动测试频谱图可得出该桥梁的前三阶频率分别为竖向一阶1.37Hz、竖向二阶2.74Hz、竖向三阶3.71Hz；阻尼比分别为竖向一阶2.96、竖向二阶1.24、竖向三阶2.24。

2、理论计算

使用midas对该桥主桥部分进行理论模态分析，来计算模态参数，从主桥前一阶振型图可以得到理论计算频率为1.02Hz，从主桥二阶振型图可以得到理论计算频率为2.08Hz，从主桥三阶振型图可以得到理论计算频率为2.96Hz。

理论计算出的前三阶模态参数变化规律是一阶振型、二阶振型、三阶振型依次从小到大；试验实测出的前三阶模态参数变化规律是一阶振型、二阶振型、三阶振型也是依次从小到大。把实测振型图和理论振型图进行对比，实际情况和理论计算的变化规律基本是一致的，说明没有发生原则性错误。

3、分析评定

本次动载试验的自振频率结果分析中，我们将实测频率和理论计算频率进行对比分析，主桥竖向一阶模态参数S实测基频值为1.37Hz，理论频率计算值J为1.02Hz，S/J=1.34；主桥竖向二阶模态参数S实测基频值为2.74Hz，理论频率计算值J为2.08Hz，S/J=1.32；主桥竖向三阶模态参数S实测基频值为3.71Hz，理论频率计算值J为2.96Hz，S/J=1.25。说明三阶振型频率都是实测值大于理论值。实测的自振频率若比计算频率大，则主梁实际现状刚度比理论刚度大，实测的自振频率若比计算频率小，则主梁实际现状刚度比理论刚度小，可能是主梁发生了局部缺损，应对结构进行仔细的检查，排除隐患。由结构自振特性测试得到的结果表明主桥的整体刚度呈理想状态，比理论值要大一些，主桥传递振动的能力处于较好状态。

五、无障碍行车试验分析

1、冲击系数

当桥梁主桥部分受到随着时间变化的荷载作用时，桥梁结构发生的振动成为强迫振动。C-C截面梁底布置1#和2#测点应变片来记录动应变，在不同车速车辆驶过桥梁时，利用产生的激振记录动应变时程曲线。车速选用三种，分别为5km/h、10km/h、20km/h。动应变时程曲线横坐标为时间，纵坐标为振幅。从5km/h、10km/h、20km/h动应变时程曲线进行分析，可以发现当车辆驶过C-C截面时动应变达到最大值，且呈波动状态。

2、分析评定

根据冲击系数的定义，1+μ=2Ydmax/(Ydmax+Ydmin），其中μ为冲击系数；Ydmax为C-C截面测点最大动应变峰值；Ydmin为C-C截面测点最大动应变谷值；(Ydmax+Ydmin）/2为C-C截面测点最大静应变值。

通过对该桥主桥理论计算，该桥一阶振型基频为1.02，根据文献[3]的规定，当结构基频f小于1.5Hz时，结构理论冲击系数μ取0.05。

从 5km/h、10km/h、20km/h 动应变时程曲线进行分析，无障碍行车速度为5km/h时，C-C截面测点最大动应变峰值为9.67×10-6，C-C截面测点最大动应变谷值为8.28×10-6，根据上面冲击系数的定义公式，可以计算出实测冲击系数μ 为 μ=2Ydmax/(Ydmax+Ydmin）-1=0.077，计算得到的冲击系数进行修正，最后修正后的实测冲击系数为0.022；无障碍行车速度为10km/h时，C-C截面测点最大动应变峰值为9.23×10-6，C-C截面测点最大动应变谷值为8.06×10-6，根据上面冲击系数的定义公式，可以计算出实测冲击系数μ为μ=2Ydmax/（Ydmax+Ydmin）-1=0.068，计算得到的冲击系数进行修正，最后修正后的实测冲击系数为0.020；无障碍行车速度为20km/h时，C-C截面测点最大动应变峰值为8.69×10-6，C-C截面测点最大动应变谷值为8.30×10-6，根据上面冲击系数的定义公式，可以计算出实测冲击系数μ为μ=2Ydmax/（Ydmax+Ydmin）-1=0.023，计算得到的冲击系数进行修正，最后修正后的实测冲击系数为0.007。可见速度越大，实测冲击系数就越小。在对冲击系数进行取值时，要采用三次不同车速试验时最大的实测冲击系数来代表结构的冲击系数。试验结果表明，无障碍行车数据实测时主桥实测最大冲击系数是当车速为5km/h时呈最高，最高值是0.022。

冲击系数越大，表明桥梁结构受力性能越差，桥面的平整度、行驶舒适度越低，桥梁的动力响应能力也较差，此时应分析原因，是否是结构的受力性能比较差；冲击系数越小，表明桥梁结构受力性能越好，桥面的平整度、行驶舒适度越好，桥梁的动力响应能力也较优。实测最大冲击系数为0.022，理论计算冲击系数值为0.05，理论值大于实测值，表明桥梁实际状态是好于理论状态的，即桥梁实际承受车辆荷载的能力比较好。

六、结论与建议

通过对动载试验数据分析后表明，主桥结构实测自振频率和跨径接近的同类桥梁对比，其值是属于正常的，并且结构基频大于理论计算值20%以上，再加上阻尼比的试验实测值也在正常范围，表明主桥的整体刚度呈理想状态，比理论值要大一些，主桥传递振动的能力处于较好状态；桥面无障碍行车试验荷载下，实测最大冲击系数为小于理论计算冲击系数值，表明桥梁实际状态是好于理论状态的，即桥梁实际承受车辆荷载的能力比较好。该桥是能满足公路-Ⅱ级标准的强度和刚度要求的。建议对桥面铺装现状裂缝进行封闭处理或挖除重做，减轻因渗水而对主梁混凝土强度的影响。增强主梁混凝土耐久性，让主梁始终处在一个比较好的养护状态中。