既有连续梁结构的动力荷载试验分析

郭韦韦

(天津高速公路集团有限公司 天津市 300310)

0 引言

近年来，随着我国经济的高速发展，汽车的增长速度和载重量增大，车流量也大幅度增加，这对桥梁运营性能提出了更高的要求，尤其是桥梁的安全性。我国在20世纪70～90年代修建了大量的梁桥，经过长时间的使用，为了保证桥梁结构的安全性，定期的桥梁检查必不可少。桥梁结构除了承受自身恒载以外，还要承受行车的荷载和自然界的其他动荷，因此，采用动力荷载试验定量地检测出桥梁实际承载力有着重要的现实意义[1-4]。

桥梁动力荷载试验的目的是测定桥梁结构的动力特性，即桥梁结构的自振频率、振型、阻尼比等桥梁结构模态参数；测定桥梁结构在动荷载作用下的强迫振动响应，即桥梁结构的动位移、动应力、冲击系数等[5-8]。通过动载试验和理论分析来了解桥梁结构在试验荷载作用下的实际工作状态，判断和评价桥梁结构的承载能力和使用条件，分析桥梁病害成因并掌握其变化规律，分析桥梁病害对桥梁各项性能的影响。结合桥梁静力荷载试验结果，对桥梁质量做出合理的评价，为桥梁运营管理及改造提供科学的依据[9-13]。

1 工程概况及测试内容

佛子岭大桥的里程中心桩号为K0+784.04，全长178.36m，全宽33m，跨径组合为：46m+70m+46m，上部结构为混凝土变截面连续梁，如图1、图2所示，设计标准如下：

(1)荷载：城市-A级。

(2)桥面宽度：4m(人行道)+11m(行车道)+3m(分隔带)+1lm(行车道)十4m(人行道)，设计桥梁全宽33m。

(3)通航标准：VI级。最高通航水位51.5m，通航净高5.24m，通航净宽30m。

(4)桥梁交角：30°(行车道法线方向与河道中心线方向的夹角)。

图1 桥跨布置示意图(单位：cm)

图2 横断面布置示意图(单位：cm)

下部结构桥墩采用柱式墩；桥台采用重力式U型桥台；支座采用LQZ系列球型钢支座；伸缩缝在两桥台处分别采用RG-80型伸缩缝。

2 桥梁完好状况等级评定

按照《城市桥梁养护技术规范》(CJJ 99-2017)的要求，采用分层加权法根据桥梁技术状况记录，对桥面系、上部结构和下部结构分别进行评估，再综合得出每座桥梁技术状况的评估。城市桥梁技术状况评估方法如下：

Ⅱ～Ⅴ类养护的城市桥梁技术状况的评估包括：桥面系、上部结构、下部结构和全桥评估。应采用先构件后部位再综合及单项直接控制指标相结合的办法评估。

Ⅱ～Ⅴ类养护的城市桥梁，应以桥梁状况指数BCI确定桥梁技术状况；应以桥梁结构指数BSI确定桥梁不同组成部位的结构状况。应按分层加权法根据桥梁定期检测记录，对桥面系、上部结构和下部结构按本标准附录D的评分等级、扣分表分别进行评估，再综合得出整座桥梁技术状况的评估。

(1)桥面系的技术状况应采用桥面系状况指数BCIm表示；桥面系的结构状况应采用桥面结构指数BSIm表示。根据桥面铺装、桥头平顺、伸缩装置、排水系统、人行道和栏杆等要素的损坏扣分值

(2)桥梁上部结构技术状况的评估应逐跨进行，然后再计算整座桥梁上部结构的技术状况指数BCIs。桥梁上部结构的结构状况应采用上部结构结构状况指数BSIs表示。

(3)桥梁下部结构技术状况的评估应逐墩(台)进行，然后再计算整座桥梁下部结构的状况指数BCIx；桥梁下部结构的结构状况采用下部结构的结构状况指数BSIx表示。

(4)整个桥梁的技术状况指数BCI根据桥面系、上部结构和下部结构的技术状况指数，应按下式计算：

BCI=BCIm·ωm+BCIs·ωs+BCIx·ωx

式中：ωm、ωs、ωx—桥面系、上部结构和下部结构的权重。

根据上述步骤分别计算左右幅桥的技术状况等级，如表1、表2所示。

表1 佛子岭路桥左幅桥桥梁完好状况等级评定

表2 佛子岭路桥右幅桥桥梁完好状况等级评定

3 前期准备

3.1 动载试验内容

动载试验项目和内容主要包括运用振动测试系统采集环境激励作用下桥面竖向振动的加速度响应信号，并分析计算桥梁主体结构竖向振动的固有频率。

3.2 动载试验方法

桥梁结构的动力特性(自振频率、阻尼系数等)，是进行风振和地震响应分析的基础，同时也可作为对结构损伤识别或质量评定的依据。它只与结构本身的固有性质(如结构的组成形式、刚度、质量分布、材料性质等)有关，而与荷载等其它条件无关，是桥梁结构振动系统的基本特征。

桥梁结构是一个多变量的复杂系统，当结构的物理特性发生变化时(如开裂、尺寸变化、材料力学性能变化时)，不但静力特性(变形、应力、裂缝等)会发生变化，而且动力特性也发生变化，这一变化对于现状评估有重要意义。

4 动载试验

4.1 理论分析结果

利用有限元分析程序对桥梁进行动力特性分析，求解其三阶自振频率，通过与实测结果比较，对结构刚度进行综合分析，如图3～图5。

图3 一阶频率(f1=1.488Hz)

图4 一阶频率(f1=3.501Hz)

图5 一阶频率(f1=8.773Hz)

4.2 试验工况选择

本次检测对该桥进行动载试验主要为脉冲试验。

表3 动载试验工况选择

4.3 测点布置

动载试验通过无线动态采集设备测试桥梁的模态，通过无线动态应变测试分析系统测试桥梁的冲击系数。具体拾振器布置和动应变测点布置如下：

根据振型的特点，将传感器布置在振型的峰、谷位置。传感器主要布置在每跨L/4截面、L/2截面和3L/4截面，每跨共布置3个竖向传感器。

4.4 结果分析与评定

在自然环境激励和车辆移动荷载激励作用下，采用连续采样方式同时采集3个测点(通道)的速度响应信号，每通道的采样频率为：100Hz，采样放大倍数为1000HZ，各批次采样的时间一般为15～20min。

通过频域滤波、时域平均等方法对信号进行去噪处理，然后根据信号的自功率谱、互谱以及相干函数识别主体结构竖向振动的低阶模态参数，具体振型如图6、图7所示。

图6 左幅桥第一阶频率(f1=2.051Hz)

图7 右幅桥第一阶频率(f1=3.066Hz)

通过对速度响应自功率谱各个峰值点的识别，可以得到桥梁结构前三阶竖向自振频率与阻尼比，实测频率与理论频率的比较如表4。

表4 实测频率与理论频率的比较

根据理论分析结果与实测结果可知，左幅桥与右幅桥实测频率均大于理论频率，其中左幅桥实测频率小于右幅桥实测频率，右幅桥动力性能相对左幅桥较好且与静载试验结果相匹配。

5 结论

桥梁动力荷载试验理论上基本成熟，并且在实际桥梁的检测评估中得到了广泛应用，对运营期桥梁承载能力评定提供了有效、最直接的方法。桥梁动力荷载试验能够得到桥梁结构的模态参数及强迫振动响应，结果准确、可靠，能够利用其结果来判断桥梁的健康状况，为桥梁的评估提供依据。