以自振频率校验系数直接评定梁桥承载能力的方法

谭伟

摘要：本文介绍了当前工程实践中所常用的几种桥梁检测方法，并阐述了每种方法的适用条件。并以桥梁模态试验为基础，提出了一种针对未开裂混凝土梁桥的，以自振频率校验系数直接评定桥梁承载能力的方法。使用此种方法代替桥梁静载试验方法，可大大降低检测成本。

关键词：桥梁；荷载试验；校验系数；自振频率

1桥梁检测

桥梁作为道路跨越障碍物的重要结构，一般设计使用年限为100年。桥梁使用过程中，桥梁结构主体会受到车辆超载荷载、地震荷载、所在环境侵蚀、流冰撞击等设计中所不能完全考虑到的不利荷载因素。随着车辆荷载的增大，部分老桥已不能适应新规范的承载能力需求，因此，对老桥的检测以及承载能力评定，是桥梁养护过程中的一项重要工作。

2检测方法

目前桥梁检测方法主要包括：外观法、无损法与荷载试验方法。

2.1外观法

外观法即专业人员根据城市或公路桥梁检测评定规范，对于桥梁出现的每一个病害根据其危害程度进行扣分，最后根据总得分将桥梁分类的方法。此方法为使用最广泛的一种方法，方法简单，对人员设备要求低，可以用于检测大部分常规正常运营的桥梁。

2.2无损法

无损法即使用专用检测设备，对桥梁混凝土、钢筋的性能进行无损检测，判断其是否满足设计及使用要求的检测方法。桥梁一旦建成，组成桥梁结构的原材料的各项无损参数（强度、钢保、电阻率等）也随之固定，通过这些参数的变化可以判断桥梁病害发生的原因，并可以对症下药，修复一些常规的破损、锈蚀、非结构性裂缝等病害。

2.3荷载试验方法

2.3.1静载试验法

静载试验是在封闭正常交通的情况下，在桥上施加等效于设计荷载的静力荷载，使得桥梁达到0.85～1.05的工作效率，通过桥梁关键截面的位移及应力变化值判断桥梁工作状态。静载试验方法是当前最准确的评定桥梁承载能力的一种方法，此方法实施过程中需要封闭正常交通，影响道路正常通行。前期试验准备阶段以及荷载试验过程中需要投入大量的人工及机械仪器设备，一般在桥梁外观检查不能评定桥梁状况以及拟提高通行荷载的情况下使用。

2.3.1动载试验法

动载试验是在桥上施加等效于桥梁实际承受荷载的动力荷载，在其关键截面测试其动力响应参数（振幅、振动速度、振动加速度等）与动力特性参数（模态振型、自振频率、阻尼比）的一种方法。后者也被称为模态参数，是桥梁结构所固有的性质，只要结构一产生，就不会变化。也就是说桥梁结构不发生变化，模态参数不会变。模态参数一旦发生改变，桥梁结构就发生了变化。所以测试模态参数，看其是否变化也可以判断桥梁结构在使用过程中有没发生改变。

3自振频率的实际值与理论值

模态参数中最准确且最易获得的是结构自振频率。在不封闭交通的情况下，使用速度（或加速度）拾振器置于关键截面即可测到桥梁的速度——时程曲线，该信号经过FFT（快速傅里叶变换）即可得到速度——频率曲线（自振频谱图），自振频谱图中各个峰值点处频率值即为桥梁可能存在的各阶自振频率。作为模态参数的一部分，桥梁自振频率的变化，也说明桥梁结构发生了变化。

工程实践中，桥梁自振频率的理论值通常使用有限元软件Midas civil建立实桥模型，进行特征值分析得到，此方法精度满足工程要求。

4自振频率与截面刚度的关系

对于等截面混凝土简支梁，一阶频率计算公式如下：

上式表明，对于等截面混凝土简支梁桥，一阶频率校验系数的平方等于挠度校验系数的倒数。由于公式9推导过程中默认了实际桥梁的截面刚度EI等于理论模型中桥梁截面刚度EI，所以公式9只对于未开裂的等截面简支梁桥适用。

工程实践中发现，对于二阶自振频率，公式9依然适用。对于连续梁桥以及变截面梁桥，公式9近似适用。

7 总结

本文简单介绍了现行桥梁检测的几种方法，并推导出静载试验中挠度校验系数与自振频率校验系数的关系。对于未开裂的混凝土梁桥，一阶（或二阶）自振频率校验系数的平方等于挠度校验系数的倒数。桥梁检测过程中，對于未开裂的混凝土梁桥，可以通过自振频率校验系数，结合《公路桥梁承载能力检测平定规程》（JTG/T J21-2011）8.3.1条中的内容直接判定桥梁承载能力是否满足要求。省去了做静载试验的巨大工作量，大大节约了养护与检测的成本，为桥梁检测项目增值。

参考文献：

[1]谭国金，中小跨径梁式桥动力检测技术及损伤识别方法研究[D]，吉林大学，2009.

[2]吕立宁，基于模态参数的桥梁状态快速测试与分析[J]，山西交通科技，2018（1）：49-50.

[3]邓焱，梁及桥梁应变模态与损伤测量的新方法[J]，清华大学学报（自然科学版），2000（11）：123-127.

[4]交通运输部公路科学研究院，JTG/T J21-2011公路桥梁承载能力检测平定规程[s]，北京：人民交通出版社，2011.

（作者单位：江苏乾程工程技术有限公司）