某公路橋段赤泥管鋼橋架振動特性檢測分析

侯晉杰 許家文 趙王強(qiáng) 趙 波

(山西省建筑科學(xué)研究院有限公司，山西 太原 030001)

0 引言

工業(yè)建筑物或構(gòu)筑物在我國的工業(yè)生產(chǎn)中型式多樣，當(dāng)工業(yè)用管道沿橋梁長向布置時(shí)，通常的布置方式有3種：1)在橋梁上方或下方布置；2)在橋梁附近重設(shè)橋墩進(jìn)行布置；3)與橋梁共用橋墩。這三種布置方式各有利弊，第一種布置方式影響橋梁的通行或檢修，當(dāng)橋梁面板出現(xiàn)破壞時(shí)易影響管道的正常使用；第二種布置方式造價(jià)高，相當(dāng)于為管道重新設(shè)立了一道專用橋梁，經(jīng)濟(jì)效益較差；第三種布置方式既不影響橋梁的正常通行和檢修，經(jīng)濟(jì)效益也較好，唯一的缺點(diǎn)是管道橋架會受橋梁的振動影響，若兩者振動頻率相同則易引起安全事故。本文即針對第三種布置方式，引用工程實(shí)際，對某公路橋段赤泥管道鋼橋架的振動特性和現(xiàn)狀進(jìn)行檢測，分析該鋼橋架的穩(wěn)定情況。

1 工程概況

某公路橋段赤泥管鋼橋架，采用熱軋H型鋼焊接，橋架共分為兩期建設(shè)，其中一期建設(shè)時(shí)間為2006年，二期建設(shè)時(shí)間為2012年，赤泥管道鋼橋架外觀如圖1所示。該赤泥管鋼橋架，長720 m，寬4.5 m，結(jié)構(gòu)共3層，其中1層層高1.3 m，2層層高1.4 m，3層層高1 m，主體桁架分6段，每段長119.2 m，鋼材為Q235B。該橋架抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類，特征周期為0.35 s，結(jié)構(gòu)體系采用鋼結(jié)構(gòu)空間桁架結(jié)構(gòu)，鋼橋架結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

根據(jù)現(xiàn)場檢查，鋼橋架上鋪設(shè)有兩層赤泥管，每層各放置四根管道。其中第一層管道從北向南依次為DN300(已廢棄)，DN300，DN300，DN150，第二次管道從北向南依次為DN300，DN400，DN250，DN250的管道。取管道內(nèi)實(shí)際荷載作為結(jié)構(gòu)驗(yàn)算時(shí)的荷載進(jìn)行驗(yàn)算，經(jīng)計(jì)算，DN250的豎向荷載為1.87 kN/m，DN300的豎向荷載為2.61 kN/m，DN400的豎向荷載為3.27 kN/m。

2 鋼橋架現(xiàn)狀情況檢測

2.1 鋼橋架現(xiàn)存缺陷檢測

現(xiàn)場檢測時(shí)，發(fā)現(xiàn)鋼橋架各構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)處涂層均存在不同程度的空鼓、起皮現(xiàn)象，部分涂層存在脫落現(xiàn)象。對涂層脫落位置的鋼構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)涂層脫落位置存在銹蝕現(xiàn)象；對涂層空鼓、起皮位置敲擊發(fā)現(xiàn)涂層脫落，鋼構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)處鋼材存在銹蝕，鋼構(gòu)件局部銹蝕情況如圖3所示。除上述現(xiàn)象外，鋼構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)處無劃傷、裂紋、折疊、夾層損傷等明顯缺陷，焊縫外觀質(zhì)量良好。

2.2 鋼橋架構(gòu)件尺寸檢測

現(xiàn)場對鋼橋架主體結(jié)構(gòu)中的鋼柱、鋼梁截面尺寸進(jìn)行抽檢量測，按照GB 50205—2001鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范[1]中相關(guān)要求，采用鋼尺、游標(biāo)卡尺、超聲波測厚儀等工具對鋼柱、鋼梁截面尺寸進(jìn)行量測。抽檢結(jié)果顯示，所抽檢的鋼柱、鋼梁構(gòu)件截面尺寸均與設(shè)計(jì)規(guī)格相符，且實(shí)際偏差均滿足GB/T 11263—2010熱軋H型鋼和剖分T型鋼[2]中的允許偏差要求。

2.3 鋼橋架構(gòu)件變形檢測

1)鋼柱垂直度抽檢測量。依據(jù)文獻(xiàn)[1]的相關(guān)規(guī)定，現(xiàn)場使用電子經(jīng)緯儀，對鋼柱的垂直度進(jìn)行測量，并進(jìn)行記錄?，F(xiàn)場共抽檢30根鋼柱。抽檢結(jié)果顯示，滿足鋼柱垂直度允許偏差的鋼柱數(shù)量為8根，合格率僅為26.7%。結(jié)合現(xiàn)場檢查結(jié)果，并未發(fā)現(xiàn)柱、梁和柱梁節(jié)點(diǎn)處存在裂縫、較大變形等缺陷。根據(jù)相關(guān)知情人士提供的信息了解到，第二層鋼橋架為后續(xù)加固施工時(shí)所建，本次抽檢的鋼柱垂直度包含了第一層和第二層鋼橋架的總施工偏差。根據(jù)現(xiàn)場檢測和驗(yàn)算分析結(jié)果可知，該鋼橋架垂直度偏差超過規(guī)范允許值，但不影響鋼柱正常承載。2)鋼梁撓度抽檢測量。依據(jù)文獻(xiàn)[1]的相關(guān)規(guī)定，現(xiàn)場使用水準(zhǔn)儀，對鋼梁的撓度進(jìn)行測量，并進(jìn)行記錄?，F(xiàn)場共抽檢30根鋼梁。抽檢結(jié)果顯示本次抽檢的鋼梁撓度均滿足相關(guān)規(guī)范允許偏差的要求。

2.4 鋼橋架構(gòu)件銹蝕程度測試

現(xiàn)場對表面銹蝕較為嚴(yán)重的鋼構(gòu)件進(jìn)行除銹，測試其除銹前和除銹后鋼構(gòu)件板材厚度，發(fā)現(xiàn)除銹前和除銹后板材厚度無明顯差異。

2.5 鋼橋架構(gòu)件表面涂層測試

依據(jù)GB/T 50621—2010鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[3]和文獻(xiàn)[1]的相關(guān)規(guī)定，現(xiàn)場使用涂層測厚儀，隨機(jī)選取18個(gè)鋼柱，18個(gè)鋼梁，共計(jì)36個(gè)鋼構(gòu)件，分別對其表面的涂層厚度進(jìn)行抽檢測試。抽檢結(jié)果顯示，抽檢的鋼柱和鋼梁構(gòu)件的涂層厚度均滿足相關(guān)規(guī)范允許偏差的要求。盡管部分鋼構(gòu)件存在銹蝕情況，但對鋼構(gòu)件截面尺寸影響較小，驗(yàn)算時(shí)可忽略不計(jì)。

3 鋼橋架振動特性測試

3.1 動載試驗(yàn)項(xiàng)目

通過數(shù)據(jù)大容量自動采集與信號處理分析系統(tǒng)，采集行車試驗(yàn)過程中的振動響應(yīng)信號，確定鋼橋架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)迫振動頻率。鋼橋架結(jié)構(gòu)的自振特性(振動頻率、振型及阻尼比)取決于結(jié)構(gòu)本身的材料特性及結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量及它們的分布情況，當(dāng)這些影響結(jié)構(gòu)自振特性的因素發(fā)生變化時(shí)，結(jié)構(gòu)的自振特性也會隨之變化，自振特性的確定是進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)計(jì)算、抗震、抗風(fēng)穩(wěn)定性分析的前提，也可作為結(jié)構(gòu)損傷識別和質(zhì)量評定的依據(jù)。

通過數(shù)據(jù)大容量自動采集與信號處理分析系統(tǒng)，采集結(jié)構(gòu)的無荷載狀況下的自由振動響應(yīng)信號，確定鋼橋架結(jié)構(gòu)的自振動特性，即結(jié)構(gòu)的固有頻率、阻尼、振幅等，并與公路橋的振動特性進(jìn)行比對，確定兩者之間的共振情況。

3.2 試驗(yàn)主要儀器及測試方法

動力特性測試是通過大容量數(shù)據(jù)自動采集儀與信號處理分析系統(tǒng)采集行車試驗(yàn)過程中的振動信號。通過對信號時(shí)頻分析，確定鋼橋架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)迫振動頻率。

采用脈動激勵(lì)試驗(yàn)方法來測量橋梁結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，通過大容量數(shù)據(jù)自動采集儀與信號處理分析系統(tǒng)，采集結(jié)構(gòu)在無荷載狀況下的自由振動響應(yīng)信號，確定鋼橋架結(jié)構(gòu)的自振特性參數(shù)，即結(jié)構(gòu)的固有頻率。

3.3 試驗(yàn)程序

1)無載荷鋼橋架的自振特性測試。2)二輛重車分別以20 km/h，30 km/h，40 km/h，50 km/h的速度行駛通過橋跨，記錄鋼橋架測點(diǎn)的振動頻率。3)一輛重車20 km/h的速度行駛至測試斷面緊急剎車，記錄鋼橋架測點(diǎn)的振動頻率。

3.4 測點(diǎn)布置

1)動應(yīng)力測點(diǎn)選擇鋼橋架第六結(jié)構(gòu)單元6-5/A的L/2，即跨中部位。2)強(qiáng)迫振動和自振特性測點(diǎn)布置見圖4。

3.5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

單車以不同車速駛過第2孔、第3孔跨中橋面時(shí)鋼橋架豎向振動時(shí)頻值和單車以20 km/h車速在第2孔、3孔橋面跨中剎車時(shí)第六結(jié)構(gòu)單元6-5/A(L/2)軸鋼橋架豎向振動時(shí)頻值和鋼橋架的自振頻率測試值見表1。

從表1可知，鋼橋架豎向振動實(shí)測自振頻率(18.066 Hz)大于計(jì)算自振頻率(16.393 Hz)，表明鋼橋架實(shí)際剛度大于設(shè)計(jì)剛度并具有一定的安全儲備，結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)良好；同時(shí)，各工況下機(jī)動車行駛時(shí)鋼橋架的強(qiáng)迫振動頻率與鋼橋架豎向振動實(shí)測自振頻率和計(jì)算自振頻率相差較大，因此機(jī)動車行駛時(shí)不會使鋼橋架產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

4 鋼橋架結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

4.1 鋼橋架結(jié)構(gòu)驗(yàn)算方法

為確定鋼橋架穩(wěn)定性及桿件的承載能力，本次檢測鑒定使用中國建筑科學(xué)研究院北京構(gòu)力科技有限公司研發(fā)的PKPM軟件對該鋼橋架進(jìn)行建模計(jì)算。計(jì)算時(shí)依據(jù)委托方提供的鋼橋架相關(guān)設(shè)計(jì)、施工資料及管道的規(guī)格和現(xiàn)場實(shí)測的鋼橋架桁架布置情況、荷載情況，建立模型進(jìn)行驗(yàn)算。驗(yàn)算時(shí)，結(jié)構(gòu)類型為鋼框架結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)規(guī)范按照GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，受壓構(gòu)件的容許長細(xì)比為150，受拉構(gòu)件的容許長細(xì)比為250，柱頂位移和柱高度比為1/150，vT/梁撓度為1/400，vQ/梁跨度為1/500，單層廠房排架柱計(jì)算長度折減系數(shù)為0.8，鋼材鋼號為Q235，自重計(jì)算放大系數(shù)FA為1.2，鋼柱計(jì)算長度系數(shù)計(jì)算方法為有側(cè)移，凈截面和毛截面比值不大于0.85，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1，恒載分項(xiàng)系數(shù)為1.2，活載分項(xiàng)系數(shù)為1.4，風(fēng)載分項(xiàng)系數(shù)為1.4，地震荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.3，活載組合系數(shù)為0.7，風(fēng)載組合系數(shù)為0.6，地震作用組合時(shí)活荷載組合系數(shù)為0.5，荷載布置情況如圖5所示。

4.2 鋼橋架驗(yàn)算分析

經(jīng)計(jì)算，鋼橋架柱構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力比、平面內(nèi)穩(wěn)定應(yīng)力比和平面外穩(wěn)定應(yīng)力比，鋼橋架梁構(gòu)件上翼緣受拉時(shí)截面最大應(yīng)力比、整體穩(wěn)定應(yīng)力比、下翼緣受拉時(shí)截面最大應(yīng)力比和剪應(yīng)力比均滿足正常承載要求。鋼橋架局部鋼梁構(gòu)件的長細(xì)比超限，其中第一～第五結(jié)構(gòu)單元及第六結(jié)構(gòu)單元的1-5軸鋼梁構(gòu)件長細(xì)比超限數(shù)量均為40根，占各跨鋼橋架鋼梁構(gòu)件總量的40%；第六結(jié)構(gòu)單元的5-6軸鋼梁構(gòu)件長細(xì)比超限的數(shù)量為44根，占本跨鋼橋架鋼梁構(gòu)件總量的44%；第六結(jié)構(gòu)單元的6-7軸鋼梁構(gòu)件長細(xì)比超限的數(shù)量為40根，占本跨鋼橋架鋼梁構(gòu)件總量的40%。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，第一～第六結(jié)構(gòu)單元桁架系統(tǒng)內(nèi)鋼梁長細(xì)比超限率為40.1%，超限鋼梁構(gòu)件總數(shù)為1 444根。

4.3 鋼橋架自振頻率計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，該鋼橋架的自振周期為0.061 s，自振頻率為16.393 Hz。

5 缺陷分析

5.1 鋼橋架現(xiàn)狀缺陷原因分析

根據(jù)現(xiàn)存缺陷檢測情況可知，目前鋼橋架現(xiàn)存缺陷主要為大量鋼構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)表面防腐涂層起皮、空鼓、脫落，且涂層起皮、空鼓、脫落部位的鋼構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)存在銹蝕現(xiàn)象。

鋼橋架構(gòu)件表面防腐涂層起皮、空鼓、脫落，鋼構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)表面銹蝕主要是由于在鋼橋架使用過程中缺乏正常維護(hù)所致；其次是由于鋼橋架下方為滹沱河，周邊濕度較大，加速鋼構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的銹蝕；除此之外，鋼橋架緊鄰滹沱河大橋，目前該大橋排水不暢，雨后橋面上存在積水，過車時(shí)泥水及雜物濺至鋼構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)表面，長此以往，將會加速鋼構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)表面防腐涂層起皮、空鼓、脫落。

5.2 鋼橋架現(xiàn)狀缺陷危害分析

目前鋼橋架現(xiàn)存缺陷主要為大量鋼構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)表面防腐涂層起皮、空鼓、脫落，且此類涂層起皮、空鼓、脫落部位的鋼構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)存在銹蝕現(xiàn)象，若不及時(shí)處理，長此以往，防腐涂層會大面積脫落，將會加重鋼構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的銹蝕程度，影響鋼橋架的使用壽命及正常承載。

6 結(jié)語

對某公路橋段赤泥管鋼橋架的現(xiàn)狀缺陷進(jìn)行檢測和振動特性檢測，建立模型驗(yàn)算鋼橋架穩(wěn)定性，經(jīng)檢測和驗(yàn)算后得到該鋼橋架目前處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)對鋼橋架進(jìn)行加固處理。目前的行車荷載作用下不會使鋼橋架產(chǎn)生共振、破壞，因此加固時(shí)不必考慮動荷載影響，僅考慮靜荷載即可。