基于动挠度和动应变下多跨连续箱梁桥冲击系数特征及偏差成因分析

■温龙辉

（1.福建省高速技术咨询有限公司，福州 350001；2.福建省高速公路工程重点实验室，福州 350001）

桥梁结构位移及内力研究中发现，一定的车速会导致结构产生振动，车辆活载作为主要激励相较于同等静力荷载作用效果愈加明显[1]。 该振动现象源于桥梁结构与车辆双系统的相互作用，涉及因素包括系统自身的动力特性、桥面平整度及车辆运行状况等[2-3]。 冲击系数μ 是设计公路桥梁[4]过程中的参数， 用于求解汽车荷载作用桥梁结构的冲击力，该冲击力值等于车辆荷载与冲击系数μ 的积，汽车荷载的总效应等于（1 +μ）乘以车辆荷载[5]。 参照国内外有关动载试验确定桥梁冲击系数的试验，影响冲击系数因数较多[6-8]。

目前采集冲击系数可以运用动挠度和动应变2种常见的方式。 动扰度是对桥梁刚度最为实时的反应，是桥梁监测的重要参数，也是桥梁安全评价和健康监测的重要指标。 鉴于动扰度数据的获取易受限于采集方法、仪器设备的灵敏度与监测场地环境状况等因素，特别对于大跨度、高净空的桥梁由于无法搭设稳定的支架导致采集受限。 对于无法进行动扰度测试的桥梁，动应变也可作为评价汽车动荷载对桥梁的冲击作用的测试方法。

本研究从一座连续箱梁桥选取出试验跨，展开动态应变和动态挠度实测试验，解析结构的动力特征，对冲击系数的偏差进行分析。

1 桥梁工程概况

福建某高速A 匝道3 号桥， 桥梁总长99.5 m，桥宽17.351～18 m。 上部结构采用3×16 m+3×16 m连续现浇箱梁，下部结构采用柱式墩配钻孔灌注桩基，起点台采用柱式台配钻孔灌注桩基础。 起点台处设置D-80 伸缩缝， 交接墩3#、6# 设D-80 伸缩缝；设计荷载：公路-I 级（图1～2）。

图1 桥型布置图

图2 上部结构横断面图

2 有限元模态及冲击系数特性分析

2.1 结构计算及模态分析

采用桥梁专业有限元软件Midas/Civil 对该桥上部结构进行有限元建模分析。 箱梁混凝土采用C50 混凝土， 其相应的弹性模量E=3.45×104MPa，容重γ=26 kN/m3。采用设计荷载：公路-I 级。有限元模型见图3。

图3 有限元模型（梁格法）

利用程序动力方程式求解出桥梁动力特性，求解特征值与特征向量，该结构前各阶自振频率及其对应的振型，竖向第1 阶模态参数理论值8.62 Hz、竖向第2 阶模态参数理论值10.33 Hz（图4）。 根据JTG D60-2015《公路桥涵设计通用规范》桥梁结构基频f=8.62 Hz 时，规范计算冲击系数值μc=0.365。

图4 竖向实测和计算振型图

2.2 桥梁动载试验

试验选取2 辆总重约420 kN 的车， 以不同车速并保持匀速同向驶过桥跨结构。 参考匝道桥具体情况，分别将机车速度设置为5、10、20 km/h。 试验车在行驶时对桥面作用了冲击力，进而导致桥梁结构出现振动。 选取出桥跨结构合适的主要控制截面测点， 利用动力测试系统持续测定目标点振动值，形成振动曲线图，解析出结构处于受迫振动下的频率等相关系数。

通过桥梁动态应变采集模块测定桥梁在行车冲击作用下的动应变等参数。 同时采用多点动态位移检测系统测定桥梁在行车冲击作用下的动挠度参数，试验中选择第4 跨主梁梁底布置动力响应（动应变和动挠度相同）测点。 布置见图5 和图6。

图5 动载试验动力响应测试截面布置图

图6 动载试验截面动挠度测和动应变点布置图

本试验选择相同时间、相同部位、采用不同的设备采集桥梁的动应变和动挠度数据信号，分析计算在不同车速状况下桥跨结构的冲击系数（图7）。试验现场采集仪器参数见表1。

图7 采集现场图片

表1 试验现场采集仪器参数

2.3 动应变下冲击系数特性分析

桥梁结构冲击系数实测结果见表2，可以看出各跑车工况下， 边跨最大正弯矩D-D 截面实测冲击系数在0.099～0.112， 均小于理论计算冲击系数值μc=0.365。 各行车速度下测点的动应变时程曲线见图8。

表2 桥梁结构冲击系数实测结果

图8 第4 跨正弯矩截面测点实测动应变时程响应曲线

2.4 动挠度下冲击系数特性分析

桥梁结构冲击系数实测结果见表3，可以看出各跑车工况下， 边跨最大正弯矩D-D 截面实测冲击系数在0.130～0.166，均小于理论计算冲击系数值μc=0.365。各行车速度下测点的动挠度时程曲线见图9。

图9 第4 跨正弯矩截面测点实测动挠度时程响应曲线

表3 桥梁结构冲击系数实测结果表

3 冲击系数结果偏差及成因分析

（1）基于动挠度和动应变采集分析得到桥梁结构的冲击系数均小于理论计算值，且实测值与理论值相差较大，说明桥梁结构整体刚度和行车性能较好，此桥的安全储备较高。 （2）从此次桥梁动载试验结果可知，动挠度和动应变下实测的结果与理论值均有较大偏差，造成上述结果的可能原因有：①测试环境影响，动应变容易受环境温度的影响，桥梁挠度检测仪容易受风速、仪器支架稳定性的影响；②跑车荷载等级影响，不同荷载的汽车对桥梁的冲击系数也会发生变化，规范中显示，冲击系数关联的计算式是建立在概率统计的基础上，结合了各种情况给出冲击系数近似结果，并没有明确给出跑车荷载的影响；③车辆与桥梁的耦合作用对冲击系数的影响也较明显，一旦车辆、桥梁间相应的耦合作用出现变化，得到的桥梁冲击系数就相继出现变化。（3）跑车速度对冲击系数测试结果有影响。本次桥梁动载试验的5～20 km/h 不同驾驶速度的实验车工作时，车速的不同，冲击系数结果亦产生明显差异。 当车速逐渐增至较大值时，跑车系统的振动幅度有明显增大，桥梁所受激励力继而增大，但与此同时降低了桥梁系统与跑车系统之间的接触时长，结构振动储蓄的能量相对缩减，冲击系数随之减小。 （4）受匝道桥影响，此次跑车速度均为低速，采得冲击系数难以较精准反映桥梁系统动力特性。数据研究发现，处于中等车速时，桥梁由车辆导致的冲击振动易出现峰值[5]。 （5）试验中对比实测动挠度和动应变下桥梁结构的冲击系数，动挠度下冲击系数值均大于动应变下冲击系数值，说明动挠度下采得的冲击系数值比较接近于理论值。 这是由于结构整体变形量体现于动扰度，结构局部的效应体现于动应变，通过局部效应指标调整整体效应指标的方法有待进一步研究。

4 结论

桥梁冲击系数的影响因素众多，若要合理且全面地解答冲击系数难题，仍需深化问题并探索解决方案，在此就桥梁动载试验给出几点建议：（1）桥梁动载试验中，动力特性冲击系数采集优先选用动挠度方法；（2）依据《公路桥梁荷载试验规程》无障碍跑车试验：宜在5～80 km/h 范围内取多个大致均匀分布的车速进行行车试验；（3）动载试验采用的加载车辆的荷载等级可以多样，且每种等级车辆应进行2～3 次重复试验。