某跨繞城高速現(xiàn)澆箱梁動(dòng)載試驗(yàn)及其分析

張 坤 陶永靖

（蘇交科集團(tuán)股份有限公司， 江蘇 南京 211112）

0 引言

隨著“十三五”接近尾聲，橋梁工程建設(shè)進(jìn)入快速的發(fā)展，并一躍成為基礎(chǔ)建設(shè)的重要力量。對(duì)于某些重要的橋梁結(jié)構(gòu)，相關(guān)規(guī)范及文件均要求在交工后對(duì)于某些重要的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行荷載試驗(yàn)，通過荷載試驗(yàn)檢驗(yàn)其安全性、施工質(zhì)量等，進(jìn)而判斷其承載能力是否滿足要求，為后續(xù)驗(yàn)收、后期管養(yǎng)階段等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及相關(guān)參考信息，并成為橋梁檔案的重要組成內(nèi)容。

本文以某跨繞城高速橋梁為例，選取其中3跨現(xiàn)澆箱梁為試驗(yàn)對(duì)象，介紹了其動(dòng)載試驗(yàn)的具體過程以及分析結(jié)果，同時(shí)結(jié)合有限元軟件 Midas/civil理論分析其基頻與振型，為橋梁后期的運(yùn)營管理提供必要的技術(shù)資料。

1 工程概況

某跨繞城高速橋梁全長共 996米，跨徑組合為 3×30m現(xiàn)澆梁+3×30m現(xiàn)澆梁+（33+33+34）m 組合箱梁+（34+41）m 組合箱梁+50m 簡支 T梁+（41+41+39）m 組合箱梁+（3×42）m 組合箱梁+3×32.154m 組合箱梁+（32.154+31+30+29）m現(xiàn)澆梁+4×30m現(xiàn)澆梁，試驗(yàn)橋梁為第三1聯(lián)。上部結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆箱梁，下部結(jié)構(gòu)為樁基礎(chǔ)，柱式墩、花瓶形墩?？缭借F路橋梁設(shè)計(jì)荷載為1.3倍公路-I級(jí);其余橋梁公路-I級(jí)，并滿足城-A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 測點(diǎn)布置與現(xiàn)場試驗(yàn)

本試驗(yàn)的橋面為3×30m，采用布置測點(diǎn)9個(gè)，動(dòng)應(yīng)變1個(gè)的荷載方案，具體布設(shè)位置見圖 1～2。對(duì)各測點(diǎn)進(jìn)行模態(tài)擬合得出該橋的低階振動(dòng)頻率、阻尼值和模態(tài)，并對(duì)不同車速下的跑車試驗(yàn)中得到其對(duì)應(yīng)的沖擊系數(shù)。將采集器放置在相應(yīng)的位置后，設(shè)定采樣頻率即可采集加速度時(shí)程響應(yīng)曲線，測試現(xiàn)場如圖3所示。

圖1 動(dòng)載試驗(yàn)采集器布置圖

圖2 動(dòng)應(yīng)變測試截面圖

圖3 測試現(xiàn)場照片

2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

動(dòng)載試驗(yàn)分為脈動(dòng)、跑車、剎車和跳車試驗(yàn)四個(gè)工況來測定該橋的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性、結(jié)構(gòu)在荷載下的振動(dòng)響應(yīng)與荷載動(dòng)力性能。動(dòng)載的試驗(yàn)工況為：

（1）脈動(dòng)試驗(yàn)：在滿足橋面無車輛通行引起的交通荷載、試驗(yàn)橋梁區(qū)域附近無規(guī)則振源的條件下，通過高靈敏度、高精度動(dòng)力測試系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)橋區(qū)域背景振動(dòng)進(jìn)行測量，包括地脈動(dòng)、風(fēng)荷載、水流等隨機(jī)荷載激振所產(chǎn)生的橋跨結(jié)構(gòu)的微幅振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行采集，獲取結(jié)構(gòu)的自振頻率、阻尼比以及振型等動(dòng)力學(xué)特征。

（2）跑車試驗(yàn)：采用1輛重350kN的試驗(yàn)車勻速駛過主橋，行駛速度分別為20km/h、30km/h、40km/h。通過動(dòng)力測試系統(tǒng)對(duì)主跨跨中測試截面處的動(dòng)應(yīng)變時(shí)間歷程曲線進(jìn)行采集，通過相關(guān)分析獲得在行車條件下的振幅響應(yīng)、沖擊系數(shù)和動(dòng)應(yīng)變。

（3）剎車試驗(yàn)：采用1輛350kN的試驗(yàn)車以規(guī)定的速度勻速行駛至測試斷面時(shí)實(shí)施緊急剎車，剎車所產(chǎn)生較大的制動(dòng)力對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成一定的沖擊作用，通過測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與分析，獲取跨中測點(diǎn)的振幅響應(yīng)、動(dòng)應(yīng)變及沖擊系數(shù)。

（4）跳車實(shí)驗(yàn)：采用1輛重350kN的試驗(yàn)車位于試驗(yàn)孔跨中處，試驗(yàn)車后輪以規(guī)定的速度越過高度為7cm左右的枕木，后輪的跳躍將對(duì)橋面產(chǎn)生瞬時(shí)沖擊力作用，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)有較大的豎向振動(dòng)，從而測定橋梁在橋面不良狀態(tài)時(shí)車輛運(yùn)行荷載作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

3 結(jié)果分析

3.1 橋梁模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的分析，部分通道數(shù)據(jù)采集樣圖及頻譜分析圖如下圖4～6所示。

圖4 第一聯(lián)部分通道采樣數(shù)據(jù)圖

圖5 第一聯(lián)頻譜分析圖

結(jié)合Midas中建立的第一聯(lián)模型，通過輸入質(zhì)量數(shù)據(jù)與特征值分析數(shù)據(jù)，得到本聯(lián)的基頻與前三階理論與實(shí)測振型圖，如圖6～11所示。

圖6 第一聯(lián)1階豎向理論振型圖

圖7 第一聯(lián)2階豎向理論振型圖

圖8 第一聯(lián)3階豎向理論振型圖

圖9 第一聯(lián)1階豎向?qū)崪y振型圖

圖10 第一聯(lián)2階豎向?qū)崪y振型圖

圖11 第一聯(lián)3階豎向?qū)崪y振型圖

通過以上分析得到，自振特性實(shí)測值與理論計(jì)算值對(duì)比表如下。

表1 自振特性實(shí)測值與理論計(jì)算值對(duì)比表

3.2 車輛激振試驗(yàn)結(jié)果

橋面車輛在不同行駛工況下的激勵(lì)試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)分析曲線見圖 12～14（以20km/h為例）。

圖12 20km/h跑車頻譜分析圖

圖13 20km/h剎車頻譜分析圖

圖14 20km/h跳車頻譜分析圖

由此得到的沖擊系數(shù)（1+μ）見下表2所示。

表2 各行車激勵(lì)工況下沖擊系數(shù)實(shí)測值

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）規(guī)定，1.5Hz

4 結(jié)論

（1）第一聯(lián)模態(tài)試驗(yàn)一階實(shí)測主頻 4.68Hz，大于理論計(jì)算值 4.03Hz，表明結(jié)構(gòu)的整體剛度較大，滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）對(duì)不同車速下的跑車(20km/h-50km/h)、剎車、跳車工況進(jìn)行試驗(yàn)，分別實(shí)測了結(jié)構(gòu)的沖擊系數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)橋跨在跑車工況下沖擊系數(shù)與計(jì)算值較為接近，表明橋面總體平順，活載沖擊影響較小，車輛駛過橋面時(shí)無較大顛簸。跳車、剎車工況下，動(dòng)應(yīng)變?cè)隽孔兓@著。實(shí)測各工況下沖擊系數(shù)可以作為后期養(yǎng)護(hù)階段檢算的指標(biāo)，同時(shí)也說明運(yùn)營期應(yīng)確保橋面平順，減小車輛荷載沖擊效應(yīng)。