某桥梁动载试验实例分析

2019-10-12安徽省建筑科学研究设计院安徽合肥230032

安徽建筑 2019年9期

周毅（安徽省建筑科学研究设计院，安徽合肥 230032）

0 前言

桥梁动载试验涉及的问题和所有工程振动试验研究的问题相似，基本可以归纳为三个方面：桥梁外部振源、结构动力特性和动力响应。桥梁外部振源是引起桥梁振动的外作用，包括移动荷载振动的激励或风、地震等。结构动力特性是桥梁的固有特性，主要包括频率、振型和阻尼三个主要参数，它们是桥梁动态试验中最基本的内容。动力响应表示桥梁在特定动荷载作用下的动态输出，主要包括动应变、动挠度、动力放大系数等参数。本文结合某桥动载试验实例，对动力特性、动力响应的测试内容和方法进行阐述，并对测试结果进行分析评价。

1 工程概况

某桥为4×30m简支转连续小箱梁桥，总长120m，斜度为10度。桥面宽度：2.5m（人行道）+2.5m（非机动车道）+1.75m（分隔带）+16.5m（机动车道）+1.75m（分隔带）+2.5m（非机动车道）+2.5m（人行道）=30m。上部结构采用30m跨标准预制小箱梁，后张法预应力体系，梁高1.6m。下部结构桥墩采用桩柱式桥墩，墩柱直径1.4m，桩基直径1.6m；桥台采用桩接盖梁桥台，桩基直径1.6m。

2 测试内容及方法

2.1 动力特性测试

2.1.1 测试参数

结构动力特性是桥梁的固有特性，也称结构自振特性参数或振动模态参数，主要包括三个主要参数：自振频率、振型和阻尼比。

2.1.2 试验方法

测试和分析结构动力特性的激振方法可根据结构特点、测试的精度要求、方便性及现场实际情况确定，宜采用环境随机激振法、行车激振法和跳车激振法，也可以采用起振机激振法或其他激振方法。

①环境随机激振法

在桥面无任何交通荷载以及桥址附近无规则振源的情况下，通过测定桥梁由风荷载、地脉动、水流等随机激振引起的微幅振动来识别结构自振特性参数。

②行车激振法

利用车辆驶离桥面后引起的桥梁结构余振信号来识别结构自振特性参数，对小阻尼桥梁效果较好。为提高信噪比，获取尽可能大的余振信号，可采用不同的车速进行多次试验，或在桥跨特征截面设置弓形障碍物进行激振。通常结合行车动力响应试验统筹考虑获取余振信号。

③跳车激振法

通过让单辆载重汽车的后轮在指定位置从三角形垫块上突然下落时对桥梁产生冲击作用，激起桥梁的振动。该方法更适合用于其他方法不易激振的、刚度较大的桥梁，如石拱桥、小跨经梁式桥等。

2.1.3 测试截面与测点布置

桥梁动力特性的测试截面应根据桥梁结构振型特征确定。根据理论振型分析结果，该桥按各跨四等分截面简化布置，每个截面在非机动车道边缘布设一个测点。拾振器的具体布置情况如图1、2。

图1 动力特性测试断面示意图（单位：m）

图2 拾振传感器横向布置示意图

2.1.4 试验数据分析

结构自振频率可采用频谱分析法、波形分析法或模态分析法得到，宜取用多次试验、不同分析方法的结果相互验证。桥梁结构阻尼可采用波形分析法、半功率带宽法或模态分析法得到，宜取用多次试验所得结果的均值。振型参数宜采用环境激振等方法进行模态参数识别，宜采用专用软件进行分析，可同时得到振型、固有频率及阻尼比等参数。

2.1.6 试验结果分析

桥梁结构动力特性分析应通过下列方法进行：

①比较实测自振频率与计算频率，实测频率大于计算频率时，可认为结构实际刚度大于理论刚度，反之则实际刚度偏小。

②比较实测振型与计算振型，若桥梁结构存在或出现缺损时，会造成振型的变异，一般来讲，变异区段即为缺损所在区段。

③桥梁结构动力特性三个参数中，阻尼比是唯一依赖实测得到的。实测阻尼比的大小反映了桥梁结构耗散外部能量输入的能力，阻尼比大，说明桥梁结构耗散外部能量输入的能力强，振动衰减得快；反之桥梁结构耗散外部能量输入的能力差，振动衰减得慢。但是，过大的阻尼比则说明桥梁结构可能存在开裂或支座工作状况不正常等现象。

2.2 动力响应测试

2.2.1 测试参数

结构动力响应表示桥梁在特定动荷载作用下的动态输出，主要包括动应变、动挠度和动力放大系数等参数。根据该桥实际并达到检测目的的要求，本次通过测试动应变来获得不同试验工况下的动力放大系数。

2.2.2 试验工况

①无障碍行车试验

采用接近运营条件且满足试验荷载效率的四辆各30t三轴载重汽车分别以20km/h、30km/h、40km/h、50km/h、60km/h的车速通过测试截面。

②有障碍行车试验

采用一辆30t三轴载重汽车以20km/h的车速通过测试截面上的障碍物（厚度为5cm的方木）。

③制动试验

采用一辆30t三轴载重汽车以30km/h车速在测试截面上制动。

2.2.3 测试截面与测点布置

桥梁动力响应的测试截面应根据行车动力响应最大的原则确定。根据该桥结构布置和现场条件，选取第4跨的跨中截面为测试截面，具体应变测点布置如图3。

图3 测试截面应变测点布置示意图

2.2.4 试验数据分析

各试验工况下动力放大系数应根据仪器记录的动应变曲线（图2.2.2）进行分析，并按下列公式计算：

式中：μdyn—动力放大系数；

Smax—车辆行驶时，动态车辆荷载作用下测点的最大应变值（波峰值）；

Smin—车辆行驶时，动态车辆荷载作用下测点的最小应变值（同周期的波谷值）；

Smean—车辆行驶时，动态车辆荷载作用下测点的应变算数平均值。

图4 动应变曲线示意图

动力放大系数宜取同截面（或部位）多个测点的均值，进行多次试验时可取该工况下的最大值。

2.2.5 试验结果分析

比较实测动力放大系数与设计取用的冲击系数，实测值大于设计值时应分析原因。

3 动载试验结果

3.1 结构计算分析

根据设计资料采用Midas/civil 2019建立该桥空间有限元模型进行成桥阶段分析，即在成桥状态下分析该桥跨结构的动力特性。采用梁单元模拟小箱梁、端横梁和跨中横隔板，采用虚拟梁单元（不计重量）模拟横向联系，采用“弹性连接”中的“刚性”将梁与支座进行连接，模型共1539个节点，2807个单元。桥跨结构计算模型以及前二阶自振频率和振型如图5～7所示。