车辆作用下大跨度连续梁桥动力特性分析

2020-07-20何思路

四川建筑 2020年2期

何思路

(阆中市公路管理养护局，四川阆中 637400)

预应力混凝土连续梁桥具有跨度大、主梁高度小、整体刚度大、外型美观、伸缩缝少、行车舒适、易于养护等优点，随着悬臂浇筑法施工工艺的成熟以及施工机械的进步，预应力混凝土连续梁桥得到了越来越广泛的应用。

预应力混凝土连续梁桥在使用过程中结构动力性能会有所变化，通过动力荷载试验可以检验桥梁整体的动力性能，了解桥梁的实际工作状态，因此，通过动载试验对桥梁的运营承载能力进行评估越来越受到人们的重视。王德山[1]等人以某七跨连续梁桥为例，开展了荷载试验，根据荷载试验的实测结果确定连续梁桥的实际承载能力。孙韦[2]对陕西汤坪沟大桥进行了静动力荷载试验，分析了桥梁的承载能力和工作性能。黄利[3]等人通过某三跨变截面连续箱梁桥荷载试验，分析了其整体受力状况，评价了其使用功能，为工程竣工验收提供了依据。李文华[4]根据模型试验与有限元分析的方法，对某公路大桥的安全可靠性进行了详细的论述。为了评定某座预应力连续箱梁桥的承载能力，段文杰[5]等人对其了动载试验，并将动力试验结果与相关规范进行了比较。

本文以五通岷江大桥为研究对象，设计了桥梁动载试验，分别测试桥跨结构的自振特性值及动力响应。通过对阻尼比、频率、冲击系数进行对比讨论，评估了桥梁结构的技术状况和工作性能，总结了桥梁的自振特性以及在行车荷载下的动力响应规律。本次试验研究结果可为同类型桥梁的研究提供参考。

1 工程背景

五通岷江大桥位于四川省乐山市五通桥区，跨越岷江，主桥全长360 m，桥面宽12.5 m，设计荷载等级为公路-II级。主桥结构为95 m+170 m+95 m三跨预应力连续箱梁桥，根部梁高10.2 m，跨中梁高3.8 m，两端引桥均为多跨30 m跨度简支 T 梁，主桥连续箱梁跨下部采用空心墩，引桥简支梁跨下部结构均采用桩柱排架结构。主桥梁体混凝土强度采用C60混凝土；引桥梁体混凝土强度采用C50混凝土，桥台、桥墩、盖梁、系梁采用 C30 混凝土。主桥立面图如图1所示，根部箱梁截面如图2所示。

图1 主桥立面布置(单位:cm)

图2 支座处箱梁截面(单位:cm)

2 动载试验内容

2.1 试验工况

本研究动载试验分为脉动试验、无障碍行车试验、跳车试验三部分。

在脉动试验中，在桥址处无规则振源、桥面上无交通的状态下，测定由地脉动、风力等随机荷载引起的桥梁结构微小激振响应，包括结构固有模态频率、结构阻尼比等。

在无障碍行车试验中，用1辆载重汽车以设定速度沿桥面中心线匀速通过，测得桥梁结构的应变时程曲线，计算冲击系数，其中行车速度分别为5 km/h、10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h、50 km/h、60 km/h，具体行车试验见图3。

图3 无障碍行车试验示意

在跳车试验中，将弓形障碍物设置在试验截面处桥面上，模拟路面的局部损伤，用1辆载重汽车以设定速度沿桥梁中心线匀速通过，测得桥跨此时的应变时程曲线，计算桥梁结构在不良桥面状态下的冲击系数。其中行车速度为5 km/h、10 km/h、15 km/h、20 km/h，障碍物底宽30 cm、高7 cm，试验方法见图4。

图4 有障碍行车试验示意

2.2 测点布置

各测试截面、测点位置见图5。应变测试截面分别位于中跨及边跨跨中处，在每个测试截面处的梁体结构上布置两个应变测点，位于箱梁底部。

(a)测试截面位置示意

2.3 试验荷载

本次荷载采用轴距为3.80m+1.35m=5.15m的双后轴载重货车，全车重为350 kN。载重汽车示意图如图6。

图6 加载汽车示意(单位：m)

3 试验结果分析

3.1 结构自振特性

自振频率fi对应的阻尼比Di利用根据频谱分析得出的测点自功率谱图进行估算，估算公式为：

式中：Bi为第i阶自振频率相应的半功率点带宽，即0.707倍功率谱峰值所对应的频率差。

主桥实测自振频谱图见图7。由频谱图可得主桥实测一阶自振频率及阻尼比见表1。由表1可知，阻尼比的实测值为0.023，处在正常范围，主桥竖向一阶实测自振频率为0.94 Hz，略高于频率理论计算值，表明结构具有足够的刚度。

图7 主桥竖向一阶实测自振频谱

表1 结构自振频率及阻尼比

3.2 行车激振试验结果

应变冲击系数(1+μ)根据动载试验所测得的动应变时程曲线进行计算，计算公式为：

式中：Smax为在动力荷载作用下该测点最大应变值；Smean为根据动载响应时程曲线分析得到该测点在最大冲击状态下的平均值。

式中：Smin为与Smax相对应的最小应变值。

F-F、H-H截面的冲击系数随车速变化曲线见图8。从图8可以看出，无障碍行车时，F-F截面最小应变冲击系数为1.05，最大应变冲击系数为1.12；H-H截面最小应变冲击系数为1.01，最大应变冲击系数为1.09；有障碍行车时，F-F截面最小应变冲击系数为1.34，最大应变冲击系数为1.45；H-H截面最小应变冲击系数为1.11，最大应变冲击系数为1.27。与同类型桥梁相比，该桥跨结构的激振响应正常。

从图8(a)、图8(b)可以看出，无障碍行车中，当车速小于40 km/h时，相同车速下F-F截面的冲击系数大于H-H截面的冲击系数，且由于F-F截面、H-H截面分别位于中跨跨中及边跨跨中，说明车辆对桥梁中跨的冲击作用比边跨更明显；当车速大于40 km/h时，F-F截面的冲击系数与H-H截面的冲击系数相等，说明对于路面平顺度较好的预应力混凝土连续梁桥，当车速超过某个限值时，车辆对桥梁的冲击作用大小主要取决于车重及车速，与跨度大小关系不明显。此外，无障碍行车时，F-F截面、H-H截面冲击系数在40 km/h处出现峰值，分别为1.12和1.09，且与相邻车速下的冲击系数相差较大，可能是由于在该车速附近发生了共振现象。

从图8(c)、图8(d)可以看出，有障碍行车时，相同车速下 F-F截面冲击系数大于H-H截面的冲击系数，说明跳车对中跨的冲击作用大于对边跨的冲击作用；随着车速的增大，F-F截面的冲击系数波动较小，H-H截面的冲击系数整体呈现下降趋势，说明当路面状况较差时，低车速也能造成较大的冲击作用。

将图8(c)、图8(d)与图8(a)、图8(b)进行对比，F-F截面有障碍行车作用下的最小冲击系数为1.34，远远大于无障碍行车条件下的最大冲击系数1.12；H-H截面有障碍行车作用下的最小冲击系数也大于无障碍行车条件下的最大冲击系数，说明与车速相比，路面平顺度对车桥之间冲击作用大小的影响更明显。