某公路桥段赤泥管钢桥架振动特性检测分析

2020-11-30侯晋杰许家文赵王强

山西建筑 2020年23期

侯晋杰许家文赵王强赵波

(山西省建筑科学研究院有限公司，山西太原 030001)

0 引言

工业建筑物或构筑物在我国的工业生产中型式多样，当工业用管道沿桥梁长向布置时，通常的布置方式有3种：1)在桥梁上方或下方布置；2)在桥梁附近重设桥墩进行布置；3)与桥梁共用桥墩。这三种布置方式各有利弊，第一种布置方式影响桥梁的通行或检修，当桥梁面板出现破坏时易影响管道的正常使用；第二种布置方式造价高，相当于为管道重新设立了一道专用桥梁，经济效益较差；第三种布置方式既不影响桥梁的正常通行和检修，经济效益也较好，唯一的缺点是管道桥架会受桥梁的振动影响，若两者振动频率相同则易引起安全事故。本文即针对第三种布置方式，引用工程实际，对某公路桥段赤泥管道钢桥架的振动特性和现状进行检测，分析该钢桥架的稳定情况。

1 工程概况

某公路桥段赤泥管钢桥架，采用热轧H型钢焊接，桥架共分为两期建设，其中一期建设时间为2006年，二期建设时间为2012年，赤泥管道钢桥架外观如图1所示。该赤泥管钢桥架，长720 m，宽4.5 m，结构共3层，其中1层层高1.3 m，2层层高1.4 m，3层层高1 m，主体桁架分6段，每段长119.2 m，钢材为Q235B。该桥架抗震设防烈度为8度，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类，特征周期为0.35 s，结构体系采用钢结构空间桁架结构，钢桥架结构示意图如图2所示。

根据现场检查，钢桥架上铺设有两层赤泥管，每层各放置四根管道。其中第一层管道从北向南依次为DN300(已废弃)，DN300，DN300，DN150，第二次管道从北向南依次为DN300，DN400，DN250，DN250的管道。取管道内实际荷载作为结构验算时的荷载进行验算，经计算，DN250的竖向荷载为1.87 kN/m，DN300的竖向荷载为2.61 kN/m，DN400的竖向荷载为3.27 kN/m。

2 钢桥架现状情况检测

2.1 钢桥架现存缺陷检测

现场检测时，发现钢桥架各构件和节点处涂层均存在不同程度的空鼓、起皮现象，部分涂层存在脱落现象。对涂层脱落位置的钢构件和节点进行检查，发现涂层脱落位置存在锈蚀现象；对涂层空鼓、起皮位置敲击发现涂层脱落，钢构件和节点处钢材存在锈蚀，钢构件局部锈蚀情况如图3所示。除上述现象外，钢构件和节点处无划伤、裂纹、折叠、夹层损伤等明显缺陷，焊缝外观质量良好。

2.2 钢桥架构件尺寸检测

现场对钢桥架主体结构中的钢柱、钢梁截面尺寸进行抽检量测，按照GB 50205—2001钢结构工程施工质量验收规范[1]中相关要求，采用钢尺、游标卡尺、超声波测厚仪等工具对钢柱、钢梁截面尺寸进行量测。抽检结果显示，所抽检的钢柱、钢梁构件截面尺寸均与设计规格相符，且实际偏差均满足GB/T 11263—2010热轧H型钢和剖分T型钢[2]中的允许偏差要求。

2.3 钢桥架构件变形检测

1)钢柱垂直度抽检测量。依据文献[1]的相关规定，现场使用电子经纬仪，对钢柱的垂直度进行测量，并进行记录。现场共抽检30根钢柱。抽检结果显示，满足钢柱垂直度允许偏差的钢柱数量为8根，合格率仅为26.7%。结合现场检查结果，并未发现柱、梁和柱梁节点处存在裂缝、较大变形等缺陷。根据相关知情人士提供的信息了解到，第二层钢桥架为后续加固施工时所建，本次抽检的钢柱垂直度包含了第一层和第二层钢桥架的总施工偏差。根据现场检测和验算分析结果可知，该钢桥架垂直度偏差超过规范允许值，但不影响钢柱正常承载。2)钢梁挠度抽检测量。依据文献[1]的相关规定，现场使用水准仪，对钢梁的挠度进行测量，并进行记录。现场共抽检30根钢梁。抽检结果显示本次抽检的钢梁挠度均满足相关规范允许偏差的要求。

2.4 钢桥架构件锈蚀程度测试

现场对表面锈蚀较为严重的钢构件进行除锈，测试其除锈前和除锈后钢构件板材厚度，发现除锈前和除锈后板材厚度无明显差异。

2.5 钢桥架构件表面涂层测试

依据GB/T 50621—2010钢结构现场检测技术标准[3]和文献[1]的相关规定，现场使用涂层测厚仪，随机选取18个钢柱，18个钢梁，共计36个钢构件，分别对其表面的涂层厚度进行抽检测试。抽检结果显示，抽检的钢柱和钢梁构件的涂层厚度均满足相关规范允许偏差的要求。尽管部分钢构件存在锈蚀情况，但对钢构件截面尺寸影响较小，验算时可忽略不计。

3 钢桥架振动特性测试

3.1 动载试验项目

通过数据大容量自动采集与信号处理分析系统，采集行车试验过程中的振动响应信号，确定钢桥架结构的强迫振动频率。钢桥架结构的自振特性(振动频率、振型及阻尼比)取决于结构本身的材料特性及结构的刚度、质量及它们的分布情况，当这些影响结构自振特性的因素发生变化时，结构的自振特性也会随之变化，自振特性的确定是进行结构动力反应计算、抗震、抗风稳定性分析的前提，也可作为结构损伤识别和质量评定的依据。

通过数据大容量自动采集与信号处理分析系统，采集结构的无荷载状况下的自由振动响应信号，确定钢桥架结构的自振动特性，即结构的固有频率、阻尼、振幅等，并与公路桥的振动特性进行比对，确定两者之间的共振情况。

3.2 试验主要仪器及测试方法

动力特性测试是通过大容量数据自动采集仪与信号处理分析系统采集行车试验过程中的振动信号。通过对信号时频分析，确定钢桥架结构的强迫振动频率。

采用脉动激励试验方法来测量桥梁结构的模态参数，通过大容量数据自动采集仪与信号处理分析系统，采集结构在无荷载状况下的自由振动响应信号，确定钢桥架结构的自振特性参数，即结构的固有频率。

3.3 试验程序

1)无载荷钢桥架的自振特性测试。2)二辆重车分别以20 km/h，30 km/h，40 km/h，50 km/h的速度行驶通过桥跨，记录钢桥架测点的振动频率。3)一辆重车20 km/h的速度行驶至测试断面紧急刹车，记录钢桥架测点的振动频率。

3.4 测点布置

1)动应力测点选择钢桥架第六结构单元6-5/A的L/2，即跨中部位。2)强迫振动和自振特性测点布置见图4。

3.5 试验结果及分析

单车以不同车速驶过第2孔、第3孔跨中桥面时钢桥架竖向振动时频值和单车以20 km/h车速在第2孔、3孔桥面跨中刹车时第六结构单元6-5/A(L/2)轴钢桥架竖向振动时频值和钢桥架的自振频率测试值见表1。

从表1可知，钢桥架竖向振动实测自振频率(18.066 Hz)大于计算自振频率(16.393 Hz)，表明钢桥架实际刚度大于设计刚度并具有一定的安全储备，结构工作状态良好；同时，各工况下机动车行驶时钢桥架的强迫振动频率与钢桥架竖向振动实测自振频率和计算自振频率相差较大，因此机动车行驶时不会使钢桥架产生共振现象。

4 钢桥架结构验算

4.1 钢桥架结构验算方法

为确定钢桥架稳定性及杆件的承载能力，本次检测鉴定使用中国建筑科学研究院北京构力科技有限公司研发的PKPM软件对该钢桥架进行建模计算。计算时依据委托方提供的钢桥架相关设计、施工资料及管道的规格和现场实测的钢桥架桁架布置情况、荷载情况，建立模型进行验算。验算时，结构类型为钢框架结构，设计规范按照GB 50017—2003钢结构设计规范，受压构件的容许长细比为150，受拉构件的容许长细比为250，柱顶位移和柱高度比为1/150，vT/梁挠度为1/400，vQ/梁跨度为1/500，单层厂房排架柱计算长度折减系数为0.8，钢材钢号为Q235，自重计算放大系数FA为1.2，钢柱计算长度系数计算方法为有侧移，净截面和毛截面比值不大于0.85，结构重要性系数为1，恒载分项系数为1.2，活载分项系数为1.4，风载分项系数为1.4，地震荷载分项系数为1.3，活载组合系数为0.7，风载组合系数为0.6，地震作用组合时活荷载组合系数为0.5，荷载布置情况如图5所示。

4.2 钢桥架验算分析

经计算，钢桥架柱构件的强度计算应力比、平面内稳定应力比和平面外稳定应力比，钢桥架梁构件上翼缘受拉时截面最大应力比、整体稳定应力比、下翼缘受拉时截面最大应力比和剪应力比均满足正常承载要求。钢桥架局部钢梁构件的长细比超限，其中第一～第五结构单元及第六结构单元的1-5轴钢梁构件长细比超限数量均为40根，占各跨钢桥架钢梁构件总量的40%；第六结构单元的5-6轴钢梁构件长细比超限的数量为44根，占本跨钢桥架钢梁构件总量的44%；第六结构单元的6-7轴钢梁构件长细比超限的数量为40根，占本跨钢桥架钢梁构件总量的40%。

经统计，第一～第六结构单元桁架系统内钢梁长细比超限率为40.1%，超限钢梁构件总数为1 444根。

4.3 钢桥架自振频率计算结果

经计算，该钢桥架的自振周期为0.061 s，自振频率为16.393 Hz。

5 缺陷分析

5.1 钢桥架现状缺陷原因分析

根据现存缺陷检测情况可知，目前钢桥架现存缺陷主要为大量钢构件和节点表面防腐涂层起皮、空鼓、脱落，且涂层起皮、空鼓、脱落部位的钢构件和节点存在锈蚀现象。

钢桥架构件表面防腐涂层起皮、空鼓、脱落，钢构件和节点表面锈蚀主要是由于在钢桥架使用过程中缺乏正常维护所致；其次是由于钢桥架下方为滹沱河，周边湿度较大，加速钢构件和节点的锈蚀；除此之外，钢桥架紧邻滹沱河大桥，目前该大桥排水不畅，雨后桥面上存在积水，过车时泥水及杂物溅至钢构件和节点表面，长此以往，将会加速钢构件和节点表面防腐涂层起皮、空鼓、脱落。