預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)空心板梁橋動(dòng)載試驗(yàn)分析

蘇樹林

（福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建南平353000）

1 工程概況

本項(xiàng)目位于福建省詔安縣，橋梁起點(diǎn)樁號(hào)是AKO+116.5，終點(diǎn)樁號(hào)是AK95+403.5，橋梁全長287米，橋型布置為（4×20米+5×20米+5×20米）預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)空心板梁橋。

橋梁所在路線是直線段。橋墩為柱式墩，樁基礎(chǔ)為鋼筋混凝土灌注樁基礎(chǔ)；橋臺(tái)為板凳臺(tái)和柱式臺(tái)，基礎(chǔ)采用灌注樁。漳州方向橋臺(tái)、詔安方向橋臺(tái)與橋面板處各設(shè)一道D40型伸縮縫，墩與墩連接處設(shè)一道D80型伸縮縫。橋梁設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路-Ⅰ級(jí)，橋梁設(shè)計(jì)安全等級(jí)為一級(jí)，橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100年。

受建設(shè)單位委托對(duì)本項(xiàng)目橋梁實(shí)施動(dòng)載試驗(yàn)，通過現(xiàn)場外觀檢測，對(duì)橋梁總體情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，再考慮連續(xù)空心板梁橋的受力特征，決定在第二聯(lián)實(shí)施動(dòng)載試驗(yàn)。通過測試橋跨結(jié)構(gòu)的自振參數(shù)，來評(píng)定預(yù)應(yīng)力連續(xù)空心板梁橋?qū)嶋H動(dòng)力響應(yīng)能力，檢測沖擊系數(shù)等指標(biāo)能否符合設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。梁縱斷面圖見圖1，主橋墩頂橫截面圖見圖2。

圖1 縱斷面圖（單位：cm）

圖2 主橋墩頂橫截面圖（單位：cm）

2 動(dòng)載試驗(yàn)方案

橋梁在荷載作用下的振動(dòng)參數(shù)是結(jié)構(gòu)振動(dòng)的固有特性，對(duì)它進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析的必要參數(shù)就是結(jié)構(gòu)振動(dòng)參數(shù)。橋梁動(dòng)荷載試驗(yàn)就是通過測試自振參數(shù)和動(dòng)荷載振動(dòng)參數(shù)來分析橋梁所處的健康狀態(tài)。分析橋梁結(jié)構(gòu)的自振參數(shù)與動(dòng)荷載振動(dòng)參數(shù)，來測試相關(guān)指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)規(guī)范，進(jìn)一步分析橋梁上部結(jié)構(gòu)的整體剛度和穩(wěn)定性能。

2.1 檢測項(xiàng)目

2.1.1 環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)

環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)的過程需要記錄空心板梁的自振頻率，本檢測項(xiàng)目就是在所測橋跨上面貼上合適數(shù)量的高靈敏度傳感器，在預(yù)設(shè)的一段時(shí)間內(nèi)記下空心板梁結(jié)構(gòu)在風(fēng)等外界條件下引發(fā)的振動(dòng)，對(duì)記錄下來的信號(hào)進(jìn)行仔細(xì)的數(shù)據(jù)分析，得出橋梁的自振參數(shù)，自振參數(shù)主要是自振頻率和阻尼比。外界壞境引起的振動(dòng)頻率與空心板自振頻率相近時(shí)，結(jié)構(gòu)吸收環(huán)境振動(dòng)能量，會(huì)使振幅增大。當(dāng)兩者頻率相差比較大時(shí)，很大部分能量相互抵消，空心板梁振幅較小。對(duì)環(huán)境振動(dòng)下的信號(hào)進(jìn)行多次分析，可以得到結(jié)構(gòu)各階自振頻率，一般來說，第一階頻率最大。通過環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)可以測試出空心板梁的多階頻率和阻尼比。

2.1.2 無障礙行車試驗(yàn)

無障礙行車試驗(yàn)就是設(shè)計(jì)一定重量的車輛在橋面上以預(yù)定的速度行駛通過，在這過程中車輛產(chǎn)生動(dòng)力荷載對(duì)橋梁有一定的作用，我們使用一些儀器設(shè)備測定橋梁特定部位的振幅與動(dòng)應(yīng)變，對(duì)測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以得到橋梁動(dòng)力響應(yīng)參數(shù)。

根據(jù)規(guī)范要求，本試驗(yàn)車輛行駛速度設(shè)計(jì)為四種，分別為10千米/小時(shí)、20千米/小時(shí)，30千米/小時(shí)、40千米/小時(shí)，每一車速駛過兩次，以測出空心板梁的應(yīng)變時(shí)程曲線。試驗(yàn)效率為設(shè)計(jì)荷載下控制截面最大內(nèi)力與試驗(yàn)車輛荷載作用下控制截面的最大內(nèi)力的比值。測試斷面為第八跨離9號(hào)墩1米處橫斷面（C-C橫斷面）。公路-Ⅰ級(jí)設(shè)計(jì)荷載作用下，速度不影響最大內(nèi)力，C-C橫斷面設(shè)計(jì)彎矩值是343.70千牛·米，試驗(yàn)車輛荷載施加在橋面上時(shí)，C-C橫斷面最大彎矩值在各車速下均是192.47千?！っ?，試驗(yàn)效率經(jīng)規(guī)范規(guī)定的上述公式計(jì)算，在各車速下均是0.56。符合檢測規(guī)范小于等于1的要求。

2.2 確定測試斷面

2.2.1 環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)

環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，把3個(gè)拾振器放在第八跨空心板連續(xù)梁的1/4跨、1/2跨、3/4跨處，這三處梁底最左端一片空心板底部設(shè)置1個(gè)，一共設(shè)置3個(gè)（1#點(diǎn)、2#點(diǎn)、3#點(diǎn)），目的就是測出空心板梁結(jié)構(gòu)垂直方向的自振參數(shù)。

2.2.2 無障礙行車試驗(yàn)

無障礙行車試驗(yàn)測點(diǎn)放在A-A截面（第八跨離8號(hào)墩1米處橫斷面）的空心板梁底面（第四塊和第五塊空心板板底1#點(diǎn)、2#點(diǎn)），測出四種行駛速度下橋梁上部結(jié)構(gòu)被迫振動(dòng)時(shí)的時(shí)程曲線，通過曲線特征計(jì)算沖擊系數(shù)。

3 環(huán)境振動(dòng)測試

3.1 實(shí)測數(shù)據(jù)

自振頻率的測定采用速度傳感器，采集樣本的頻率為100Hz，每個(gè)測試點(diǎn)采集30分鐘。根據(jù)速度傳感器傳回的數(shù)據(jù)分析，在試驗(yàn)中收集外界環(huán)境所產(chǎn)生的荷載作用時(shí)的響應(yīng)參數(shù)，分析得到空心板梁在環(huán)境荷載下的時(shí)程曲線。對(duì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的幾個(gè)測點(diǎn)的時(shí)程曲線進(jìn)行模態(tài)分析，得到豎向一階實(shí)測頻率為6.25。

3.2 理論計(jì)算

通過Midas civil軟件進(jìn)行理論分析，得到第1階模態(tài)數(shù)據(jù)，豎向1階模態(tài)理論計(jì)算頻率是4.39。

3.3 分析評(píng)定

把環(huán)境振動(dòng)作用下拾振器得到的空心板梁實(shí)測頻率和midas軟件建立模型進(jìn)行理論計(jì)算得到的頻率對(duì)比分析，空心板梁跨豎向1階模態(tài)實(shí)測頻率得到6.25Hz，理論基頻值是4.39Hz，實(shí)測基頻值/理論頻率計(jì)算值=1.42，阻尼比為2.5%。一階振型頻率的實(shí)測值比理論值要大，說明空心板梁實(shí)際的剛度比計(jì)算得到的理論剛度要大一些。結(jié)構(gòu)自振特性試驗(yàn)說明了此連續(xù)空心板梁橋的整體剛度比理論值要大，主橋承載能力處于良好狀態(tài)。

4 無障礙行車試驗(yàn)分析

⒋1 沖擊系數(shù)

被迫振動(dòng)是空心板受到隨時(shí)間變化的荷載作用時(shí)所產(chǎn)生的反應(yīng)，本項(xiàng)目主要是車輛從橋梁一端駛向另一端，中間某一時(shí)間受到的荷載作用最大，四種速度可以得到四個(gè)時(shí)程響應(yīng)曲線。根據(jù)應(yīng)變的變化幅度來確定沖擊系數(shù)。

在A-A截面的空心板梁底部放置1#與2#測點(diǎn)來分析動(dòng)應(yīng)變參數(shù)，當(dāng)測試貨車以四種不同速度通過空心板梁橋，系統(tǒng)自動(dòng)采集貨車對(duì)橋梁產(chǎn)生激振時(shí)的自動(dòng)數(shù)據(jù)自動(dòng)生成應(yīng)變時(shí)程曲線。貨車車速分為四種，分別是10千米/小時(shí)、20千米/小時(shí)、30千米/小時(shí)、40千米/小時(shí)。從測出的四種動(dòng)應(yīng)變時(shí)程曲線進(jìn)行理論分析得出車輛結(jié)果A-A截面時(shí)應(yīng)變?yōu)樽畲笾?，且振幅隨時(shí)間呈波動(dòng)狀態(tài)，有波峰值和波谷值。

測試車輛速度為10千米/小時(shí)時(shí)，A-A橫斷面1#應(yīng)變測點(diǎn)實(shí)測應(yīng)變峰值為44.06×10-6，A-A橫斷面應(yīng)變測點(diǎn)實(shí)測應(yīng)變谷值為36.48×10-6，根據(jù)沖擊系數(shù)的定義，可以得出實(shí)測沖擊系數(shù)為 0.094；2#應(yīng)變測點(diǎn)實(shí)測應(yīng)變峰值為45.11×10-6，A-A橫斷面應(yīng)變測點(diǎn)實(shí)測應(yīng)變谷值為37.52×10-6，根據(jù)沖擊系數(shù)的定義，可以得出實(shí)測沖擊系數(shù)為0.092。

測試車輛速度為20千米/小時(shí)時(shí)，A-A橫斷面1#應(yīng)變測點(diǎn)實(shí)測應(yīng)變峰值為40.70×10-6，A-A橫斷面應(yīng)變測點(diǎn)實(shí)測應(yīng)變谷值為36.62×10-6，根據(jù)沖擊系數(shù)的定義，可以得出實(shí)測沖擊系數(shù)為 0.053；2#應(yīng)變測點(diǎn)實(shí)測應(yīng)變峰值為41.42×10-6，A-A橫斷面應(yīng)變測點(diǎn)實(shí)測應(yīng)變谷值為37.16×10-6，根據(jù)沖擊系數(shù)的定義，可以得出實(shí)測沖擊系數(shù)為0.054。

測試車輛速度為30千米/小時(shí)時(shí)，A-A橫斷面1#應(yīng)變測點(diǎn)實(shí)測應(yīng)變峰值為34.48×10-6，A-A橫斷面應(yīng)變測點(diǎn)實(shí)測應(yīng)變谷值為29.04×10-6，根據(jù)沖擊系數(shù)的定義，可以得出實(shí)測沖擊系數(shù)為 0.086；2#應(yīng)變測點(diǎn)實(shí)測應(yīng)變峰值為36.41×10-6，A-A橫斷面應(yīng)變測點(diǎn)實(shí)測應(yīng)變谷值為30.23×10-6，根據(jù)沖擊系數(shù)的定義，可以得出實(shí)測沖擊系數(shù)為0.093。

測試車輛速度為40千米/小時(shí)時(shí)，A-A橫斷面1#應(yīng)變測點(diǎn)實(shí)測應(yīng)變峰值為37.34×10-6，A-A橫斷面應(yīng)變測點(diǎn)實(shí)測應(yīng)變谷值為35.05×10-6，根據(jù)沖擊系數(shù)的定義，可以得出實(shí)測沖擊系數(shù)為 0.032；2#應(yīng)變測點(diǎn)實(shí)測應(yīng)變峰值為38.41×10-6，A-A橫斷面應(yīng)變測點(diǎn)實(shí)測應(yīng)變谷值為36.34×10-6，根據(jù)沖擊系數(shù)的定義，可以得出實(shí)測沖擊系數(shù)為0.028。

通過對(duì)預(yù)應(yīng)力連續(xù)空心板梁橋理論計(jì)算，此橋1階振型基頻值是4.39，依據(jù)規(guī)范進(jìn)行計(jì)算，沖擊系數(shù)取0.246。

4.2 分析評(píng)定

沖擊系數(shù)反應(yīng)了橋梁實(shí)際承受荷載的動(dòng)力響應(yīng)能力和橋面平整度，實(shí)測最大沖擊系數(shù)為10千米/小時(shí)時(shí)最大，其值為0.094，理論計(jì)算沖擊系數(shù)值為0.246，此時(shí)理論值比實(shí)測值大很多，說明橋梁健康狀態(tài)比理論上的要好很多，橋面的平整度和舒適性相對(duì)較好。

5 結(jié)論與建議

試驗(yàn)中對(duì)動(dòng)荷載試驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行理論分析，該空心板梁橋?qū)崪y所得自振頻率與相近橋梁的頻率值放在一起進(jìn)行分析，本空心板梁橋頻率值在正常值附近，而且本項(xiàng)目實(shí)測空心板頻率超過理論計(jì)算值很多，實(shí)測分析得到的阻尼比值也未發(fā)現(xiàn)異常，結(jié)構(gòu)自振特性試驗(yàn)說明此連續(xù)空心板梁橋的整體剛度比理論值要大，主橋承載能力處于良好狀態(tài)。橋面無障礙行車試驗(yàn)中，理論計(jì)算沖擊系數(shù)值為0.0246，此時(shí)理論值比實(shí)測值大很多，說明橋梁健康狀態(tài)比理論上要好很多。

綜上，本項(xiàng)目橋梁達(dá)到公路-Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)所要求的強(qiáng)度與剛度。試驗(yàn)中也未發(fā)現(xiàn)空心板梁有新的裂縫，建議按規(guī)范要求進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，并加強(qiáng)日常巡查力度及時(shí)掌握橋梁的實(shí)際工作狀態(tài)，確保橋梁使用中的安全，保障交通順暢。