桥梁动荷载试验的分析与应用

王一平

(南京科兴工程建设项目管理有限责任公司，江苏 南京 210039)

桥梁是交通枢纽中重要的组成部分，桥梁结构的安全关乎着每一个公民的人身财产安全，因此，对桥梁结构工作性能的准确判断显得尤为重要，然而，经常性检查、定期检查等常规性检查往往很难发现桥梁结构中的隐蔽缺陷，恰好荷载试验可以实现。随着计算机和高灵敏低功耗传感器等技术的快速发展，荷载试验在实际工程中的应用更加的普遍和成熟了，桥梁结构的施工质量是否满足设计要求，运营桥梁的实际工作状态和实际承载能力是否符合安全适用要求都可以通过荷载试验来准确掌握，相比于静荷载试验，动荷载试验具有方便易行、快速和低成本等特点，是桥梁检测技术的研究和发展方向。

1 动荷载试验

1.1 动荷载试验的目的

桥梁是一种既承受恒荷载(例如结构自重)又承受动荷载(例如车辆荷载)的受力体。桥梁在移动车辆荷载、地震荷载和风荷载的作用下往往会发生受迫振动，因此，为了能充分了解结构抵抗振动的能力，保证结构的运营安全，同时为桥梁的设计、施工、检测等提供技术资料，动荷载试验是一种较好的技术手段。桥梁动荷载试验的具体目的如下。

(1)通过动力荷载试验，了解桥梁结构的固有振动特性，例如自振频率、振型和阻尼比。

(2)通过动荷载试验，测得在移动车辆荷载作用下桥梁结构实际的动态增量，进而判别结构在受到不同动荷载作用下的动态反应是否在桥梁的一般容许范围内，即通过测量结构的动力响应参数(例如动挠度、动应变、振动速度、动力加速度等)来判断桥梁结构的动力稳定性。

(3)通过动荷载试验测得的动力响应参数分析得出结构的实际冲击系数，将桥梁结构的实测冲击系数与理论冲击系数进行对比分析，得出冲击系数的影响因素及结构的动力安全性能。

(4)通过现场加载试验以及对试验观测数据和试验现象的综合分析，对实际结构作出总体评价，为桥梁结构的运营安全性及竣工验收提供技术依据。

1.2 动荷载试验的内容与方法

桥梁的动荷载试验一般是针对大桥、特大桥的主跨来进行的，主要内容包括脉动试验测试桥跨结构的自振特性(竖向主要阶次)和行车激振试验测试结构的动力反应。

(1)脉动试验：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，通过高灵敏度动力测试系统测定桥址处风荷载、地脉动、水流等随机荷载激振而引起桥跨结构的微小振动响应，测得结构的自振频率等动力学特征。

(2)跑车试验：在桥面无任何障碍的情况下，采用一辆满重40 t的试验车以车速为10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h匀速通过桥跨结构，由于在行驶过程中对桥面产生冲击作用，从而使桥梁结构产生振动。通过动力测试系统测定桥跨结构主要控制截面测点的动力响应时间历程曲线和车辆对桥面冲击系数。

(3)跳车试验：跳车试验模拟的是桥面铺装存在缺陷、坑槽等不平整因素时的结构振动情况。试验时，在预定的测试截面上放置一块15 cm左右高的三角形垫块，斜边朝向汽车，用一辆40 t载重车在10 km/h的速度下后轮从垫块上突然落下，立即停车，从而对桥梁产生冲击作用，激起桥梁的竖向振动，但需要注意的是此时的结构振动是附加试验车质量的衰减振动。

(4)刹车试验：刹车试验是模拟桥上车辆紧急制动时结构的振动情况。试验时，让一辆40 t载重主车分别以10 km/h、20 km/h的车速匀速行驶到主桥跨中时实施紧急制动，使其产生较大的制动力而对桥梁产生一定的冲击作用，测定结构的动态响应。

动荷载试验是一种自动化程度较高的测试方法。在脉动实验中，通常用加速度、速度传感器作拾振器，经电荷放大，然后进行信号处理，最后绘制结构振动的时域曲线或频谱分析曲线，得出想要的自振参数。激振试验通常采用位移、应变、速度或者加速度传感器来获取桥梁结构受迫振动时响应情况和动态增量，绘出响应变量的时域曲线或频域曲线，最后得出想要的动力系数。

1.3 测试截面及测点布置

(1)脉动试验。监测桥梁结构自振特性时，将速度或加速度拾振器放置在各跨的四分点断面处，沿栏杆内侧分上、下游两条线布置测点，按照顺序对每个断面进行测试。

(2)激励振动试验。激励振动试验动应变测点布设，一般布置在主桥每一跨的1/2跨处，动态电阻应变仪一般粘贴在箱梁底面，对称于桥梁纵向轴线布设。

1.4 动荷载试验的应用

马汊河大桥是(65+110+65)m变高度预应力混凝土连续梁桥，设计荷载等级为公路I级，箱梁采用单箱单室断面形式，主桥箱梁采用挂篮悬臂浇筑结合部分支架现浇施工，除0#节段及边跨现浇段采用支架现浇外，其余节段均采用对称平衡悬臂逐段浇筑法施工。单个“T构”除0#块以外共分为14个节段，主墩墩顶处0#节段总长10 m，1#～14#节段纵向分段长度为(4×3.0+6×3.5+4×4.0)m，中跨及边跨合拢段长度均为2.0 m，边跨现浇段长度分别为8.84 m。主桥箱梁顶面设置6 cm厚C40混凝土调平层，桥面铺装采用4 cm SMA-13(SBS改性沥青)+6 cm AC-20C(SBS改性沥青)共10 cm厚沥青混凝土。为了检测该桥承载能力、适用状况是否满足现行规范要求，保证桥梁的运营安全和行车舒适性，对此桥实施动荷载试验。

(1)自振频率计算与检测结果分析

本次计算采用桥梁结构有限元分析软件Midas/Civil 2015版对结构进行特征值分析，采用梁单元进行模拟，桥面铺装和防撞墙作为附加质量作用于主梁上，模型共96个节点，95个单元，计算模型如图1所示，主梁理论计算一阶振型如图2所示。

图1 结构动力特性计算模型

图2 主梁理论计算一阶振型图

通过结构动力学的学习我们知道，桥梁结构是由无数多个质量体组成的，每个质量体按照三个自由度计算，则桥梁上部结构也有无穷多个自由度，结构的自振频率数等于自由度数，因此结构存在无穷多阶自振频率，但是，结构体整体振动的快慢、振动的形态往往是由低阶振型决定的，结构的第一阶频率(基频)对结构体的振动贡献最大，因此此桥只计算它的基频。通过建模理论计算，求得该桥竖向一阶自振频率为1.054 Hz。

因为本桥是三跨对称结构，由结构动力学的知识可知：结构质量对称，振型必对称或反对称。因此，脉动试验可取半边结构的四分点来测得结构的自振频率，根据现场速度传感器采集的数据，对时间波形进行频谱分析，得到结构的FFT平均谱，如图3所示。

图3 脉动试验时结构振动曲线频谱分析图

从图3可以看出，该桥的一阶自振频率的实测值为1.42 hz，实测值大于理论计算值(1.054 Hz)，说明此桥的整体刚度成理想状态，满足设计要求。

(2)受迫振动测试结果与分析

激振试验测的是桥跨结构的动力响应，即移动荷载作用下各技术指标的动态增大效应，最终求得各工况下结构的动力系数。该桥通过动态电阻应变仪来测得结构的动应变，动应变测试截面为主跨跨中截面，测点布置在箱梁底面两侧。

动力系数可根据控制截面测点在行车试验时记录的动应变曲线进行分析处理而得，具体计算公式：μ=2Ydmax/(Ydmax+Ydmin)，其中μ为动力系数；Ydmax为主桥跨中截面测点最大动应变峰值；Ydmin为主桥跨中截面测点最大动应变谷值；(Ydmax+Ydmin)/2为主桥跨中截面测点最大静应变值。

跑车试验下结构动应变时间历程响应曲线如图4～图7所示。

图4 车速10 km/h跑车试验动应变曲线

图5 车速20 km/h跑车试验动应变曲线

图6 车速30 km/h跑车试验动应变曲线

图7 车速30 km/h跑车试验动应变曲线

从图4至图7中可以看到主桥跨中截面处动应变的整体趋势。最后，经数据处理分析得到跑车试验下该桥的动力系数，具体结果详见表1。由表1可知：桥梁结构的动力系数与车辆行驶速度并非呈正比关系，而是受桥梁自振频率与车辆自身振动频率的接近程度的影响，二者频率越靠近，结构振动的越厉害。同时，试验跨在不同车速下，动力系数均小于理论计算值1.05，表明此桥路面平整，车辆对桥梁的冲击较小。

表1 跑车试验动力系数测定值

跳车试验模拟的是当桥面铺装凹凸不平，例如存在坑槽、破损等病害时桥梁的振动情况。跳车试验下结构动应变时间历程响应曲线如图9所示，通过对此曲线数据分析，得出此时的动力系数值为1.021，与跑车试验行车速度10 km/h时的动力系数值1.006相比增大了不少，动力系数值越大，对桥梁结构的承载能力越不利，同时还大大影响人们的行车舒适性。因此保证桥面线形平顺、铺装层平整无破损显得尤为重要。

图8 车速10 km/h跳车试验动应变曲线

2 结 语

桥梁动荷载试验是了解运营桥梁整体工作状态和评定新建桥梁是否满足设计要求的一项重要技术手段，动荷载试验是桥梁静荷载试验的补充与发展，二者一起准确的诊断桥梁结构的强度与刚度，发现常规检测难以发现的隐蔽缺陷，为桥梁结构的安全良好运营保驾护航。随着计算机技术的快速发展与应用，动荷载试验必将成为一种更加精确、便捷和智能的桥梁检测手段。