橋梁混凝土力學性能振動效應試驗評估

張 煜潘傳銀石雪飛唐壽高

（1.同濟大學應用力學研究所，上海200092；2.同濟大學橋梁工程系，上海200092）

橋梁混凝土力學性能振動效應試驗評估

張 煜1，*潘傳銀2石雪飛2唐壽高1

（1.同濟大學應用力學研究所，上海200092；2.同濟大學橋梁工程系，上海200092）

基于橋梁建造與開放交通加固過程，分別采集施工環境與行車荷載引起的橋梁振動特性，并使用小型振動臺進行模擬，以振動時間、頻率、幅度以及約束條件等為參數，對混凝土抗壓強度與彈性模量兩個受力性能進行了振動效應評估。試驗結果表明：約束條件起控制作用，有效約束下振動作用導致抗壓強度增強，而缺少約束則相反；橋梁建造過程對混凝土抗壓強度無明顯影響，而開放交通加固過程則影響顯著；兩種工況下彈性模量振動效應均不明顯。

橋梁混凝土，施工環境，行車荷載，力學性能，振動效應，試驗評估

1 引 言

橋梁建造過程中，現澆混凝土的凝結硬化過程受到施工環境振動的持續作用。隨著服役時間的推移，既有橋梁面臨維修加固，由于受到開放交通條件的限制，行車荷載對現澆混凝土的粘結成型過程也會造成影響［1］。Manning等［2］通過比尺試驗研究了行車荷載對混凝土抗壓強度及其與鋼筋的粘結強度的振動效應，結果顯示兩者均有所提升。Dunham等［3］以速度峰值和振動時間為控制參數進行試驗，通過對混凝土抗壓、劈裂抗拉強度的測試，發現振動作用造成前者提高而后者降低。張悅然和張永娟等［4，5］借助標準振擊篩模擬振動條件，試驗結果表明混凝土凝結硬化中期抗擾動能力最弱，并給出了改善建議。魏建軍等［6］對初凝與終凝之間混凝土進行不同頻率與振幅的振動，發現低頻大幅振動會引起劈裂抗拉強度的下降。葉東升等［7］的研究表明火車振動對現澆構件的影響不明顯，并主要體現在濕接頭界面。

上述結論均與試驗中采用的振動特性相對應，與橋梁實際情況仍有一定差距：試驗振動時間均在前24 h內，區間跨度較小，振動作用持續時間不足；振動頻率、振幅采用固定參數，而實際振動頻譜為一個連續分布的范圍；沒有區分模板的約束作用，而這在陸金平等［8］的研究中得到重視，雖然其試驗的振動特性不適用于橋梁混凝土，但說明了約束條件對抗壓強度的重要影響。

本文以某主跨為83 m、邊跨為54 m的三跨連續梁橋為背景，在實測施工環境、成橋行車引起的橋梁振動特性基礎上，在試驗室使用小型振動臺進行模擬，綜合考慮振動時間、頻率、幅度以及約束條件等參數，通過測量混凝土試塊在3 d、7 d和14 d的抗壓強度與彈性模量，對橋梁建造與開放交通加固過程的振動效應進行了評估，明確了不同振動特性對混凝土受力性能的影響。

2 實 驗

試驗主要材料為普通自來水、52.5級普通硅酸鹽早強型水泥、細度模度2.75中砂和最大粒徑30 mm碎石，相應的混凝土配合比為0.42∶1∶1.26∶1.97。除施加振動作用外，混凝土的攪拌、成型、養護及測試均依照相應標準［9］執行。

如圖1（a）所示，由于該橋橫跨運營中鐵路線，列車通行是其環境振動的主要影響因素，通過橋面布置的加速度傳感器（圖1（b））識別出列車通過引起的橋梁各關鍵點的典型振動特性。經過對比發現跨中懸臂端的豎向振動為控制振動，其振動時程圖與頻譜圖如圖2所示，據此確定建造過程的最不利振動特性，同理可得成橋運營后典型行車荷載作用下的橋梁振動特性以模擬開放交通加固過程，如表1所示。在設定的頻率與振幅范圍內進行掃頻振動，單次循環為60 s：低頻高幅振動10 s→掃頻過渡振動20 s→高頻低幅振動10 s→掃頻過渡振動20 s。各組試塊振動持續時間均為24 h，包含1 440個振動循環，以保證振動效應的充分發揮。

由于橋梁混凝土結構尺寸遠大于試驗采用的混凝土試塊，實際施工中模板對混凝土的約束作用明顯小于試塊模具的約束作用。為了更接近實際約束條件，并考慮最不利情況，各試驗組除澆筑后前24 h內帶模振動以外，后續均脫模振動，分別如圖1（c）和圖1（d）所示。

圖1 試驗背景與過程Fig.1 Project backgrounds and Experimental studies

圖2 跨中懸臂端豎向振動響應Fig.2 Vertical vibration responses of the cantilever end in themid-span

總計進行3項振動試驗：針對建造過程與開放交通加固過程的抗壓強度試驗，澆筑90個100 mm×100 mm×100 mm試塊；針對開放交通加固過程的彈性模量試驗，包含90個100 mm×100 mm×300 mm試塊。每項試驗包含5個試驗組，如表2所示，其中振動起止時間以水灰接觸時刻為起始點，測試過程如圖1（e）和圖1（f）所示。以第2組為對照組，通過比較各振動組受力特性的相對變化，分別評估建造過程與開放交通加固過程中的橋梁混凝土振動效應，而第1組僅作為分離養護條件影響的補充參考。

表1 振動特性Table 1 Vibration characteristics

表2 試驗配置Table 2 Experimental configurations

3 結果與評估

3.1 抗壓強度

建造過程中橋梁混凝土抗壓強度的振動效應如圖3所示。3 d時帶模振動組有1.7 MPa的小幅提升；兩個脫模振動組無明顯變化。7 d時帶模振動組有4.6 MPa的明顯提升，增幅達13%；兩個脫模振動組約有1.5 MPa的小幅提升。14 d時帶模振動組增幅回落至1.2 MPa；兩個脫模振動組已回落至低于對照組，分別有3.3 MPa和1.5 MPa的降低。試驗結果表明：建造過程中，混凝土前7 d的抗壓強度增長速度得到提升，但隨后又趨于平緩，最終表現為帶模振動提升而脫模振動下降，且越早進行脫模振動，強度損失越大；建造過程振動作用相對較弱，混凝土抗壓強度變化范圍不超過5%，若考慮前24 h帶模振動的增強作用，則振動效應幾乎可以忽略。

開放交通加固過程中橋梁混凝土抗壓強度的振動效應如圖4所示。3 d時帶模振動組有2.2 MPa的小幅提升；兩個脫模振動組分別有4.7 MPa和4.3 MPa的明顯降低。7 d時帶模振動組提升幅度降至1.5 MPa；兩個脫模振動組降幅分別增至6.3 MPa和5.7 MPa。14 d時帶模振動組提升達3.2 MPa，增幅為7%；兩個脫模振動組強度損失進一步擴大至7.8 MPa和6.0 MPa，最終

圖3 建造過程中抗壓強度的振動效應Fig.3 Vibration effects on the compressive strength in construction process

圖4 開放交通加固過程中抗壓強度的振動效應Fig.4 Vibration effects on the compressive strength under traffic loads

降幅分別為18%和14%。試驗結果表明：開放交通加固過程中，橋梁混凝土強度增長速度相對穩定，各組規律基本一致；由于振動作用較強導致振動效應顯著，即使考慮前24 h帶模振動的增強作用，仍分別存在11%和7%的抗壓強度損失。

3.2 彈性模量

開放交通加固過程中橋梁混凝土彈性模量的振動效應如圖5所示。3 d時各振動組均有不同程度降低，按照降幅從大到小依次為先脫模振動組、后脫模振動組、帶模振動組，但最大降幅不超過7%。7 d時各振動組與對照組結果十分接近，差別在2%以內。14 d時帶模振動組略有提高，而兩個脫模振動組彈模略有損失，變化范圍為3%。試驗結果表明：開放交通加固過程中，橋梁混凝土彈模相對變化極小，已無法與混凝土自身的離散性區別，振動效應不明顯。由于建造過程的振動作用相對更弱，其對混凝土彈性模量的影響可以同理推測，無須贅述。

圖5 開放交通加固過程中彈性模量的振動效應Fig.5 Vibration effects on the elasticmodule under traffic loads

4 結 論

通過以上分析可以得到以下結論：

（1）約束條件對橋梁混凝土振動效應起控制作用，混凝土抗壓強度在有效約束時提高，而在缺少約束時降低。施工中應嚴格控制模板質量并適當推遲脫模時間。

（2）橋梁建造過程中混凝土抗壓強度振動效應不明顯，而開放交通加固過程中則表現顯著，為保證結構可靠性，建議對橋梁混凝土進行不低于10%的抗壓強度折減。

（3）橋梁建造與開放交通加固過程中混凝土彈性模量的振動效應均不明顯。

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［3］ Dunham M，Rush A，Hanson J.Effects of induced vibrations on early age concrete［R］.Journal of Performane of Constructed Facilities，2007，21（3）：179-184.

［4］ 張悅然，張永娟，張雄.混凝土凝結硬化階段抗擾動性能研究［J］.混凝土與水泥制品，2009，（5）：1-3.Zhang Yueran，Zhang Yongjuan，Zhang Xiong.Research on Anti-disturbance of concrete in setting and hardening period［J］.China Concrete and Cement Products，2009，（5）：1-3.（in Chinese）

［5］ 張永娟，張悅然，張雄.改善混凝土抗擾動性能的三種途徑［J］.建筑材料學報，2011，14（1）：26-29.Zhang Yongjuan，Zhang Yueran，Zhang Xiong.Three techniques to improve disturbance resistance of concrete［J］.Journal of Building Materials，2011，14（1）：26-29.（in Chinese）

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［9］ 中華人民共和國建設部.GB／T 50081—2002普通混凝土力學性能試驗方法標準［S］.北京：中國建筑工業出版社，2003.Ministry of Construction of PRC.GB／T 50081—2002 Standard for testmethod ofmechanical properties on ordinary concrete［S］.Beijing：China Architecture and Building Press，2003.（in Chinese）

Experimental Assessment of Vibration Effects on M echanical Properties of Concrete in Bridges

ZHANG Yu1，*PAN Chuanyin2SHIXuefei2TANG Shougao1
（1.Institute of Applied Mechanics，Tongji University，Shanghai200092，China；2.Department of Bridge Engineering，Tongji University，Shanghai200092，China）

In order to simulate construction and strengthening processes，bridge vibration characteristics under construction environment and from traffic loadswere collected.An experimental study was also conducted on a small shaking table.The assessmentwas performed through testing the compressive strength and elasticmodule of concrete specimens subjected to vibrations with different parameters such as time，frequency，amplitude，and constraint condition.Experimental results show that effective constraints improve the compressive strength while not for other cases，which indicates that the predominant influence is the constraint condition.The vibration effects caused by construction are ignorable while those induced by traffic loads are significant.The vibration effects on elastic module are not notable during both processes.

concrete，construction environment，traffic load，mechanical property，vibration effect，experiment assessment

2013－04－23

廣東省交通運輸廳科技項目（201202034）

*聯系作者，Email：07＿zhangyu＠tongji.edu.cn