预应力连续T 梁桥动力特性测试与损伤分析

■陈文昌

（漳州市交通运输综合行政执法支队，漳州 363000）

随着我国经济的发展， 公路交通建设突飞猛进。 特别是改革开放40 年来，公路桥梁日新月异，建设了大量的各种桥型。 随着交通量的猛增，大量病害损伤问题逐渐涌现，给公路养护部门带来了压力。 桥梁检测、评估工作在桥梁工程中将占有重要地位[1-3]。 目前，桥梁检测的主要手段是对桥梁进行静载、动载试验，通过静载试验评估桥梁是否安全可靠，通过动载试验分析由传感器采集到的桥梁响应信号，获取桥梁的模态参数，如自振频率、振型、阻尼比[4-6]。 本文以漳州市某五跨预应力混凝土连续T 梁桥为例， 介绍了该桥动载试验和模态参数识别的过程与方法，并对桥梁局部位置损伤和预应力损失是否影响动力特性参数做出讨论。

1 工程概况

G324 线云霄城关大桥项目位于漳州市云霄县云陵镇，总长约1.7 km。其中第四联为5 m×30 m 的预应力连续T 梁桥，该桥横断面由5 片T 梁组成，T 梁高为2 m，且每跨布置2 道端横隔板和5 道中横隔板。 横向断面布置为： 防撞栏 （0.5 m）+行车道（11.75 m）+防撞栏（0.5 m）。桥面铺装层表层为沥青混凝土，厚8 cm；底层为现浇混凝土，厚6 cm。 具体横断面如图1 所示。

图1 桥梁横断面

2 结构有限元动力特性分析模型

运用Midas Civil 软件，建立预应力连续T 梁桥有限元模型进行研究。主梁截面材料主要由C50 混凝土组成，弹性模量为34.5 GPa，密度为2600 kg/m3。桥面铺装和横隔板混凝土材料特性与主梁相同。 边界条件按照设计图纸中支座的类型和布置进行设置，并将桥面铺装荷载和自重转换为质量进行模态分析。 以桥梁左幅第四联为例， 有限元模型如图2所示。

图2 桥梁左幅第四联有限元模型

3 动力特性测试与结果对比

3.1 动力特性测试的概念

动力特性测试属于桥梁动载试验中的一项测试内容，主要测试结构的自振频率、振型和阻尼比。测试的理论基础为桥梁结构的损伤将导致结构刚度发生变化，并引起动力特性发生改变。 动力特性测试的检测速度快、投入少，测试结果具有客观性强且能够发现隐蔽部位的病害等优点[7]。

3.2 动力特性测试内容与方法

本文采用自然环境激励法来测量分析桥跨结构的动力特性[8]，在桥面无交通荷载及桥址附近没有规则振源的情况下，测定桥跨结构由于桥址处风荷载等随机荷载激振而引起的桥跨结构的微小振动响应，以测量桥梁的自振频率及振型。 试验数据采集使用竖向速度传感器，测点布置如图3 所示。

图3 桥梁左幅第四联自由振动试验测点布置图

3.3 动力特性试验与有限元计算结果及对比

通过采集分析该桥动荷载试验及有限元计算结果分别得到对应的基频及振型如表1、图4 所示。图4 为该桥前3 阶振型理论值与实际值。

表1 桥左幅第四联动力特性

图4 结构理论振型与实测振型对比图

现场自振特性试验结果表明，该桥竖弯实测振型与理论振型吻合，说明测试结果真实、可信，且实测一阶自振频率大于理论值，说明该桥整体刚度较好，有较强的抗冲击性能。

4 损伤对T 梁动力特性的影响分析

4.1 支座处主梁截面损伤影响

为研究桥梁在实际工程中的损伤基频，本文以支座处主梁刚度折减来模拟损伤程度，在上述模型中对支座处主梁刚度分别折减0.5、0.7，并与实际桥梁基频对比。 在有限元模型中，主梁刚度的折减主要通过削减截面刚度特性来实现精准模拟，模拟结果如图5 所示。

从图5 中桥梁前10 阶频率来看，支座处主梁损伤越大（刚度折减越大），全桥整体基频下降越明显，且高阶次的频率测试效果较低阶次的测试效果更加显著。 低阶次较难分辨出刚度折减带来的影响。

图5 支座处主梁刚度折减基频

4.2 跨中截面损伤影响

为研究桥梁跨中截面损伤对桥梁基频的影响，本文以跨中处主梁截面刚度折减来模拟损伤程度，在上述模型中对跨中处主梁刚度分别折减0.5、0.7，并与实际桥梁基频对比。 在有限元模型中，主梁刚度的折减主要通过削减截面刚度特性来实现精准模拟，模拟结果如图6 所示。

图6 主梁跨中刚度折减基频

从图6 可知，与支点刚度折减类似，桥梁前10 阶频率来看，跨中处主梁损伤越大，全桥整体基频下降明显，高阶与低阶频率测试效果类似，均能够较显著地反应结构刚度的变化。

4.3 横隔梁刚接缝损伤影响

为研究桥梁中横隔板刚接缝损伤对全桥基频的影响，以刚接缝刚度折减来模拟损伤程度，在上述模型中对刚接缝刚度分别折减0.5、0.7，并与实际桥梁基频对比（刚度未折减）。 在有限元模型中通过降低横向联系的截面特性模拟接缝处刚度的折减。

由图7 可知，前5 阶基频几乎都相同，后5 阶基频随着刚接缝损伤程度增加，全桥整体基频仅受轻微影响， 说明横隔梁刚接缝损伤对预应力连续T梁桥前10 阶振型及频率的影响并不明显。

图7 横隔板刚接缝刚度折减基频

4.4 预应力损失的影响

预应力的存在，对结构的静力效应有积极的作用， 能够补充混凝土材料抗拉强度不足的劣势，充分发挥其抗压强度大的优势，同时节约材料，还可以改变结构的刚度，增加结构稳定性，减小结构的变形等。

为研究预应力损失对结构基频的影响，选取某在建项目梁场中某30 m 预制T 梁。 在预张拉0%、30%、50%、70%跟100%张拉力的情况下，现场测试梁片的前10 阶振动频率， 同时建立有限元模型进行模拟分析。 现场实测频率值如表2 所示，对比分析如图8、图9 所示。

表2 不同张拉力下前10 阶实测频率结果

图8 不同预张拉力作用下梁片的基频实测值与理论值曲线

图9 不同张拉力下的实测频率

结果显示，30 m 简支T 梁，频率都是随阶数上升而增大，但并未随张拉力增大而明显变化，预张拉力对频率影响较小，其两者之间并没有明确的等效关系。

5 结论

综上所述，研究结果显示：（1）对比桥梁动载试验和有限元数值分析结果， 实测一阶基频大于理论值，表明在结构无病害存在的情况下，整体刚度较好，有良好的动力性能。 （2）桥梁支座处主梁的损伤会影响全桥的基频， 并且随着损伤程度的增加，全桥整体的基频降低。 （3）跨中处主梁的损伤对全桥刚度的影响明显， 且高阶与低阶频率测试效果类似， 均能够较显著地反应结构刚度的变化。 （4）横隔板刚接缝的损伤对结构的动力特性影响不大，随着刚接缝损伤程度的增加，全桥整体基频并没有明显降低。 （5）实测结果表明，结构整体基频主要影响因素是整体刚度， 预应力对结构自振频率有增大的影响，但影响较小，两者之间没有明显的比例关系。