高速公路跨線橋預應力混凝土T 梁動載試驗研究

陸 蓉

(武漢輕工大學土木工程與建筑學院，湖北武漢 430023)

0 引言

在公路橋梁運營和維修養護的過程中，密切關注車輛荷載或其他的動力荷載對橋梁結構的沖擊和振動影響，從宏觀上來判斷橋梁結構的整體剛度和運營性能是非常必要的。橋梁結構的振動問題一般采用理論分析與現場實測相結合的方法［1］。橋梁結構的動載試驗是利用跑車、跳車、剎車等激振方法激起橋梁結構的振動，然后測定其固有頻率、阻尼比、振幅、沖擊系數等參數，從而判斷橋梁結構的運營狀況和整體動力性能，對橋梁承載能力做出評定。

1 工程概況

武荊高速跨漢丹鐵路特大橋橋梁全長1 296.08 m，大橋上部構造:左幅采用18×30+(2×30+50+2×30)+40+18×30預應力混凝土T梁，先簡支后結構連續;右幅采用17×30+40+(2×30+50+2×30)+19×30預應力混凝土T梁，先簡支后結構連續。下部構造:雙柱式墩、鉆孔灌注樁基礎，承臺分離式橋臺、鉆孔灌注樁基礎。

本次試驗對象為該橋左幅40 m(簡支)+3×30 m(連續)和右幅3×30 m(連續)+40 m(簡支)預應力混凝土T梁，本次試驗選取的試驗跨及右幅16，17和18跨進行了橋梁荷載試驗，以檢驗橋梁結構實際承載能力和工作性能是否滿足設計及使用要求。由于篇幅所限，本文只選取左幅24，25和26跨的實驗數據。

2 動載試驗內容

本橋動載試驗［2］，包括脈動試驗和強迫振動試驗兩部分。主要測試橋梁結構的自振頻率、結構阻尼等自振特性，跨中最大豎向振幅、沖擊系數等行車響應參數。本次橋梁動載試驗荷載采用一輛350 kN雙后軸載重汽車施加。

2.1 脈動試驗

脈動試驗是通過在橋上布置高靈敏度的拾振器，長時間記錄結構在環境激勵如風、水流、地模態等引起的振動，然后進行頻譜分析，求出結構自振特性的一種方法。對環境激勵下橋梁的響應信號進行多次功率譜的平均分析，并利用各個測點的幅值和相位關系，可得到橋梁的各階自振頻率和振型值，利用半功率帶寬法確定各階模態阻尼比，從而獲得橋梁的自振特性，并將實測值與計算值或規范值進行比較和分析，對橋梁的動力特性進行評估［3］。本次橋梁脈動試驗測點布置見圖1。

圖1 左脈動試驗測點布置圖

2.2 強迫振動試驗

強迫振動試驗是利用試驗車輛在橋上跑車、跳車和剎車，對橋梁施以動力荷載，測量橋梁特征位置的強迫振動時程曲線、動應變等，對測得的橋梁動力響應值進行分析，獲得橋梁的動力響應特性及舒適度指標，并對它們進行評估。強迫振動試驗測點布置見圖2。

2.2.1 跑車試驗

圖2 左強迫振動試驗測點布置圖

跑車試驗采用一輛350 kN雙后軸載重汽車以10 km/h～60 km/h的車速勻速駛過試驗橋跨，測量梁體各測點振幅、沖擊系數和強迫振動頻率［4］。試驗時，每10 km/h為一級，每個速度重復一次。

2.2.2 跳車試驗

跳車試驗［4-6］是模擬汽車越過障礙物試驗，試驗時，在橋梁試驗跨跨中截面位置放置10 cm高的三角墊木，讓一輛350 kN載重汽車的前輪在試驗橋跨跨中截面位置以15 km/h跳車，測量梁體各測點的振幅和梁體在豎向沖擊荷載下的強迫振動頻率、阻尼比。

2.2.3 剎車試驗

剎車試驗采用一輛350 kN雙后軸載重汽車，以15 km/h車速行駛至試驗橋跨跨中截面位置剎車，測量梁體各測點振幅和梁體在順橋向沖擊荷載下的強迫振動頻率等。

3 試驗結果及分析

3.1 脈動試驗結果及分析

脈動試驗測得漢丹鐵路特大橋40 m+3×30 m預應力混凝土T梁(左幅)40 m跨豎向一階頻率實測值為3.52 Hz，其理論值為2.93 Hz;3×30 m邊跨豎向一階頻率實測值為4.50 Hz，其理論值為3.67 Hz，實測值大于理論值，表明橋梁豎向剛度滿足設計要求。圖3為脈動試驗跨中豎向測點頻譜圖。

圖3 脈動試驗跨中豎向測點頻譜圖（1-2：40 m跨跨中豎向；1-6：30 m跨跨中豎向）

3.2 強迫振動試驗結果及分析

3.2.1 跑車試驗

讓試驗車輛以10 km/h，20 km/h，30 km/h，40 km/h，50 km/h，60 km/h的速度勻速行駛通過橋梁，測試試驗跨跨中豎向的動力響應和沖擊系數。其中沖擊系數為動撓度與靜撓度的比值。由于撓度反映了橋跨結構的整體變形，是衡量結構剛度的主要指標，因此活載沖擊系數綜合反映了荷載對橋梁的動力作用。它與結構的型式、車輛運行速度和橋面的平整度等有關。

表1 跑車試驗測試結果

圖4 50 km/h跑車跨中豎向動撓度時程曲線圖（1-4：40 m跨中豎向；1-5：30 m跨中豎向）

圖5 50 km/h跑車跨中豎向測點振動時程曲線圖（1-1：40 m跨中豎向；1-2：30 m跨中豎向）

圖6 左幅40 m跨跳車試驗跨中豎向測點振動及動撓度時程曲線圖（1-1：40 m跨跨中豎向振動；1-4：40 m跨跨中豎向動撓度）

具體測試結果見表1。其中沖擊系數μ的取值為:

當 f＜1.5 Hz時，μ=0.15;

當1.5 Hz＜f＜14 Hz時，μ=0.176 7lnf-0.015 7;

當 f＞14 Hz時，μ=0.45。

其中，f為振動頻率。

由脈動試驗結果可知40 m跨f1=3.52 Hz，計算出沖擊系數μ1=0.207;30 m 跨 f2=4.50 Hz，同理得 μ2=0.250。

由表1可知左幅40 m跨跨中最大沖擊系數為0.688，對應振幅為1.90 mm，對應車速為60 km/h;左幅30 m跨跨中最大沖擊系數為0.257，對應振幅為0.45 mm，對應車速為50 km/h。圖4為50 km/h跑車試驗跨中豎向測點對應的動撓度時程曲線圖，圖5為50 km/h跑車試驗跨中豎向測點對應的振動時程曲線圖。由跑車試驗可知，40 m跨實測沖擊系數大于理論計算值，營運中應注意保持橋面平整，并加強對梁體的檢查。

圖7 左幅30 m跨跳車試驗跨中豎向測點振動及動撓度時程曲線圖（1-2：30 m跨跨中豎向振動；1-5：30 m跨跨中豎向動撓度）

圖8 左幅40 m跨剎車試驗跨中豎向測點振動及動撓度時程曲線圖（1-1：40 m跨跨中豎向振動；1-4：40 m跨跨中豎向動撓度）

3.2.2 跳車試驗

跨中跳車試驗，圖6為40 m跨跳車試驗跨中豎向測點振動及動撓度時程曲線圖，測得左幅40 m跨跨中豎向最大振幅為1.51 mm，對應沖擊系數為 0.553，豎向振動頻率為 3.05 Hz，阻尼比為0.061 3;左幅30 m跨跨中豎向最大振幅為0.67 mm，對應沖擊系數為 0.362，豎向振動頻率為 3.63 Hz，阻尼比為 0.021 6。圖7為30 m跨跳車試驗跨中豎向測點振動及動撓度時程曲線圖。

圖9 左幅30 m跨剎車試驗跨中豎向測點振動及動撓度時程曲線圖（1-2：30 m跨跨中豎向振動；1-5：30 m跨跨中豎向動撓度）

3.2.3 剎車試驗

剎車試驗時汽車以15 km/h車速行駛至跨中剎車，圖8，圖9分別為40 m跨、30 m跨剎車試驗時跨中豎向測點振動及動撓度時程曲線圖。測得左幅40 m跨跨中豎向最大振幅為0.73 mm，對應沖擊系數為0.256，豎向振動頻率為3.51 Hz;而30 m跨跨中豎向最大振幅為0.49 mm，對應沖擊系數為0.257，豎向振動頻率為3.36 Hz。

4 結語

武荊高速跨漢丹鐵路特大橋左幅橋40 m+3×30 m預應力混凝土T梁(左幅)40 m跨豎向一階頻率實測值大于理論值，表明橋梁豎向剛度滿足設計要求。由動載試驗可知，重載高速跑車、跳車及緊急剎車對試驗梁體產生的沖擊影響較大。運營過程中應注意保持橋面平整，以減小荷載動力沖擊的影響，并加強對梁體的養護排查。

［1］馬偉斌，韓自力，朱忠林.高速鐵路路橋過渡段振動特性試驗研究［J］.巖土工程學報，2009(1):124-128.

［2］黃 僑，李忠龍，吳紅林.哈爾濱四方臺斜拉橋成橋靜動載試驗研究［J］.橋梁建設，2006(1):16-18.

［3］宋一凡.公路橋梁荷載試驗與結構評定［M］.北京:人民交通出版社，2002.

［4］李榮均.橋梁結構檢測及其承載力評定［D］.北京:北方工業大學，2004.

［5］諶潤水，胡釗芳.公路橋梁荷載試驗［M］.北京:人民交通出版社，2002.

［6］李曉斌，夏招廣，蒲黔輝.安慶長江公路大橋靜動載試驗研究［J］.公路交通科技，2007(2):73-76.