桥梁动力测试及舒适性评价研究

王高科，蔡正东

（1.宁波市城建设计研究院有限公司，浙江 宁波 315012；2.中铁大桥科学研究院有限公司，湖北 武汉 430034）

0 引 言

目前许多学者不仅关注铁路桥梁特别是高速铁路桥梁的结构安全性，同时也关注行车的舒适性，《高速铁路桥梁运营性能检定规定（试行）》（TG/GW 209—2014）对铁路桥梁的自振频率和振幅都有严格的规定和要求。对于公路桥梁而言，有关桥梁行车引起人的舒适性问题研究并不多，《公路桥梁荷载试验规程》（JTG-T-J21-01—2015）也仅是对桥梁模态的测试作了较为详细的说明，但对桥梁在车辆荷载作用下的动力响应方面描述较少。

本文以浙江省某先简支后连续钢混组合梁为工程背景，对该桥进行了动力试验。在进行桥梁制动试验时，感觉到梁体水平晃动非常厉害。通过分析该现象产生的原因，对桥梁舒适性评价进行了研究[1-2]。

1 概述

某4×20 m 先简支后连续钢混组合梁，横向由4 片钢纵梁组成，梁高1.33 m，钢纵梁上方通过剪力钉与厚为20 cm 的混凝土形成组合梁结构。桥梁分左右2 幅，每幅桥面净宽11.25 m；每片钢梁底部采用GJZF4 和GJZ 两种类型板式橡胶支座。桥墩采用钢筋混凝土空心薄壁墩和桩柱式桥墩，其中5# 墩高63.41 m，6# 墩高45.77 m，7# 墩高25.77 m，8# 墩高10.07 m，桥台采用座板台。

组合梁纵断面图见图1，标准断面图见图2。

图1 组合梁纵断面图（单位：cm）

图2 组合梁标准断面图（单位：cm）

2 动力测试方案

动力测试主要包括脉动试验和强迫振动试验。其中强迫振动试验包括跑车试验、跳车试验和刹车试验。脉动试验和跑车试验测点布置图见图3。

图3 脉动试验和跑车试验测点布置图（单位：cm）

对该桥进行动载试验时，发现在试验荷载（重350 kN）下刹车时，该桥跨桥面上试验人员明显感觉到梁体的水平晃动，但尚在人体忍受范围内。为了分析晃动原因，对不同车速下的刹车工况进行了补充测试，测试速度包括30 km/h、40 km/h、50 km/h、60 km/h。

刹车试验纵向测点布置图见图4。

图4 刹车试验纵向测点布置图

3 测试结果分析

3.1 脉动试验测试结果分析

脉动试验测试结果见表1。

表1 脉动试验测试结果

由表1 可知，实测1 阶竖向对称弯曲振动频率为3.691 Hz，计算值为3.677 Hz，实测值大于计算值，说明实桥的竖向动力刚度满足《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21-01—2015）第6.6.8 条的要求。实测阻尼比为0.702%～1.185%。

3.2 跑车和跳车试验测试结果分析

跑车试验时主要测点实测振幅值见表2，跳车试验时主要测点实测振幅值见表3。

由表2、表3 可知：跑车试验时主桥主梁竖向最大振幅实测值为0.30 mm；跳车试验时边跨最大振幅实测值为0.40 mm，中跨最大振幅实测值为0.36 mm。所有测点实测振幅值均不大，在合理范围之内。

表2 跑车试验时主要测点实测振幅值 单位：mm

表3 跳车试验时主要测点实测振幅值 单位：mm

3.3 刹车工况测试结果分析

3.3.1 动力响应曲线分析

通过分析30～60 km/h 不同车速下各测点的时程曲线，可以发现在试验车辆刹车后，桥面纵向测点有一个较大的响应，并在较短时间内恢复正常。图5为50 km/h 车速下在中跨L/2 处刹车时各测点的时程曲线。对该时程曲线进行频域分析，可以得到各纵向测点幅值功率谱的振动频率为1.152 Hz。图6 为50 km/h 车速下在中跨L/2 处刹车时各测点的幅值功率谱。

图5 50 km/h 车速下在中跨L/2 处刹车时各测点的时程曲线

图6 50 km/h 车速下在中跨L/2 处刹车时各测点的幅值功率谱

3.3.2 动力响应结果分析

通过分析30～60 km/h 不同车速下的刹车工况动力响应结果，得到刹车试验时各测点的纵向振幅值为1.95～2.92 mm（见表4）；强迫振动频率为0.918～1.152 Hz（见表5）；刹车工况下的阻尼比为6.766%～10.248%（见表6）。由此可见，不同车速下刹车工况的动力响应值比较接近，动力响应频率在1 Hz 左右，纵向阻尼比较大，因此动力响应能量能在较短时间内衰减完毕。

表4 刹车试验时各测点纵向振幅测试值 单位：mm

表5 不同车速下刹车时各测点强迫振动频率 单位：Hz

表6 不同车速下刹车时各测点阻尼比 单位：%

3.4 舒适性评价分析

根据文献[3]，实际上人在步行状态下对竖向2 Hz和水平1 Hz 左右的振动较敏感，而刹车工况下动力响应频率均在1 Hz 左右，因此会造成人对振动有较大的感觉。本文通过狄克曼指标对振动敏感度进行评价[4-5]。狄克曼指标K 又称振动敏感度，横向振动的狄克曼指标K 的计算式为：

式中：D 表示振动幅值；f 表示强迫振动频率。

狄克曼指标的评价标准见表7，不同车速下刹车时顺桥向的狄克曼指标K 值见表8。

表7 狄克曼指标评价表

由表8 可知，不同车速下刹车时顺桥向K 值为1～10 之间，表明顺桥向振动在人体可以忍受的范围，与实际情况吻合。

表8 不同车速下刹车时顺桥向狄克曼指标K 值

3.5 振动原因分析

该桥为4 跨先简支后连续钢混组合梁，每片梁底均设置有矩形橡胶支座，其中5#桥墩最高超过60 m。考虑到桥墩纵向刚度较弱，刹车试验时，桥墩在纵向冲击力下会来回晃动，导致梁体纵向振动较大，使人感觉明显晃动。另外，该桥未在刚度较大的墩台上设置固定支座，是导致梁体纵向水平晃动厉害的间接原因。建议在此类桥梁刚度较大的墩台处设置固定支座，以使桥梁行车舒适性更佳。

4 结 语

（1）动力特性结果表明该桥动力刚度满足设计和规范要求。

（2）该桥顺桥向振动处于人体容易感受到的频域范围，目前桥梁顺桥向振幅最大值不超过3 mm，且桥梁顺桥向阻尼比较大，在刹车后桥梁纵向能够立即消能，伸缩缝工作均正常，表明该振动对桥梁安全运营影响不大。

（3）目前规范中关于梁桥振动研究以及评价指标较少，本文所采用的评价方法可为同类桥梁提供参考。

（4）建议高墩桥梁设计中，在刚度较大的墩台处设置固定支座。