先張法折線預(yù)應(yīng)力工字梁成橋動(dòng)載試驗(yàn)研究

王海平，曹淋淋，趙君委，于增明

（濟(jì)南市市政工程設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250101）

0 引言

近年來(lái)研究開(kāi)發(fā)出一種新的預(yù)應(yīng)力筋張拉技術(shù)——先張法折線預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，并開(kāi)始在國(guó)內(nèi)外預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁工程中應(yīng)用。先張法折線預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)雖然仍屬于先張法的范疇，但克服了傳統(tǒng)的采用直線形預(yù)應(yīng)力筋先張法混凝土構(gòu)件不能適用較大跨度的缺點(diǎn)，并具有后張法構(gòu)件可變化預(yù)應(yīng)力筋線形的優(yōu)點(diǎn)。

國(guó)外先張折線預(yù)應(yīng)力梁的應(yīng)用比較廣泛，美國(guó)從提出先張折線預(yù)應(yīng)力技術(shù)以來(lái)，已經(jīng)在公路和鐵路中采用了大量的先張折線預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)[1-2]，前蘇聯(lián)曾設(shè)計(jì)過(guò)最大跨度達(dá)69.2 m的先張折線預(yù)應(yīng)力橋梁以及眾多中等跨度的預(yù)應(yīng)力梁[3]；意大利和韓國(guó)也用運(yùn)用過(guò)該技術(shù)建設(shè)了眾多的先張折線預(yù)應(yīng)力橋梁。

在國(guó)內(nèi)，我國(guó)首次在青藏鐵路中成功運(yùn)用24 m折線先張預(yù)應(yīng)力混凝土T梁[4]，此后先張折線結(jié)構(gòu)也被應(yīng)用到公路橋梁的建造中，如桐柏淮河公路橋中的35 m先張折線箱梁[5]、黃鴨河大橋中35 m先張折線箱梁[6]等。此后先張折線法預(yù)應(yīng)力混凝土梁被大量應(yīng)用于實(shí)際工程中，我國(guó)的專(zhuān)家學(xué)者對(duì)先張折線預(yù)應(yīng)力混凝土梁的施工工藝、力學(xué)性能的研究得到了進(jìn)一步的完善

本文通過(guò)對(duì)一先張法折線預(yù)應(yīng)力工字梁橋進(jìn)行成橋動(dòng)載試驗(yàn)，將理論值與實(shí)測(cè)進(jìn)行對(duì)比分析，研究其在動(dòng)荷載激振作用下的強(qiáng)迫振動(dòng)特性和在脈動(dòng)荷載作用下的自振特性，從而判斷橋梁結(jié)構(gòu)營(yíng)運(yùn)狀況和承載能力。以達(dá)到驗(yàn)證設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)施工工藝、完善技術(shù)條件等目的，為張法折線預(yù)應(yīng)力工字梁進(jìn)一步的推廣應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

本文以某跨河橋新建北側(cè)拼寬工字梁橋?yàn)楣こ桃劳校瑯蛄嚎傞L(zhǎng)22.5 m，工字梁橫向布置見(jiàn)圖1。該橋采用城-A級(jí)汽車(chē)荷載，一期恒載包括工字梁及橫梁、現(xiàn)澆橋面板自重；二期恒載包括瀝青鋪裝、護(hù)欄、人行道等。

圖1 某跨河橋新建北側(cè)拼寬工字梁橫向布置圖

在試驗(yàn)前采用橋梁專(zhuān)用有限元程序MIDAS CIVIL建立橋梁空間模型，計(jì)算橋梁的一階豎向彎曲振型及計(jì)算頻率結(jié)果見(jiàn)表1及圖2。

表1 橋梁自振特性測(cè)試結(jié)果

圖2 拼寬工字梁一階豎向彎曲振型

2 成橋動(dòng)載試驗(yàn)方案

動(dòng)載試驗(yàn)是測(cè)試橋梁結(jié)構(gòu)在動(dòng)荷載激振作用下的強(qiáng)迫振動(dòng)特性和在脈動(dòng)荷載作用下的自振特性，這些特性參數(shù)是判斷橋梁結(jié)構(gòu)營(yíng)運(yùn)狀況和承載能力的重要指標(biāo)。

本橋動(dòng)載試驗(yàn)，包括自振特性測(cè)試和強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)兩部分，主要測(cè)試橋梁結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型和阻尼比，各測(cè)點(diǎn)最大橫、豎向振幅，及強(qiáng)迫振動(dòng)頻率、動(dòng)應(yīng)變和沖擊系數(shù)等。

橋梁動(dòng)載測(cè)試，采取在橋面上布置891水平拾振器、891豎向拾振器，測(cè)取橋梁的豎向、橫向振動(dòng)，動(dòng)載測(cè)試測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖3，現(xiàn)場(chǎng)布置盡量靠近行車(chē)線。

圖3 橋梁動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置圖

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，僅在1#～6#梁（見(jiàn)圖4）跨中梁底布置了單向應(yīng)變片，在1#～4#梁端梁底布置了單向應(yīng)變片，在1#～2#梁端腹板布置了應(yīng)變花，同時(shí)在1#～5#梁對(duì)應(yīng)的跨中橋面布置了位移測(cè)點(diǎn)，以測(cè)量該橋的橫向分布系數(shù)。文中將針對(duì)這些測(cè)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。

橋梁脈動(dòng)試驗(yàn)、無(wú)障礙行車(chē)試驗(yàn)和有障礙行車(chē)試驗(yàn)的試驗(yàn)工況見(jiàn)表2。

圖4 工字梁測(cè)點(diǎn)橫向布置圖

表2 工字梁橋動(dòng)載試驗(yàn)工況

3 成橋動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果

3.1 脈動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

通過(guò)對(duì)本橋的脈動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域及頻域分析，脈動(dòng)試驗(yàn)各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)時(shí)程曲線及主要測(cè)點(diǎn)功率譜圖見(jiàn)圖5～圖11。

圖5 橋梁主要測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)時(shí)程曲線

圖6 L/4豎向測(cè)點(diǎn)功率譜

圖7 L/2豎向測(cè)點(diǎn)功率譜

圖8 3L/4豎向測(cè)點(diǎn)功率譜

圖9 L/4和3L/4豎向測(cè)點(diǎn)互功率譜

圖10 L/4和L/2豎向測(cè)點(diǎn)互功率譜

圖11 L/2和3L/4豎向測(cè)點(diǎn)互功率譜

從分析結(jié)果可以看出橋梁的實(shí)測(cè)豎向基頻為13.001 Hz，阻尼比為0.74%，計(jì)算頻率為11.180 Hz，實(shí)測(cè)值大于計(jì)算值，表明橋梁豎向動(dòng)力剛度滿足要求。

阻尼是振動(dòng)系統(tǒng)在振動(dòng)過(guò)程中耗散振動(dòng)能量能力的指標(biāo)，實(shí)際結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的阻尼比較復(fù)雜，包括由于材料分子之間的摩擦引起的內(nèi)阻尼、構(gòu)件之間支承與連接部位的摩擦、振動(dòng)時(shí)與周?chē)橘|(zhì)（大氣等）的相互作用引起的能量耗散等。從阻尼來(lái)看，實(shí)測(cè)本橋阻尼比在合理范圍之內(nèi)。

3.2 強(qiáng)迫振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

3.2.1 振幅測(cè)試結(jié)果及分析

強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)各測(cè)點(diǎn)振幅見(jiàn)表3。圖12、圖13為典型測(cè)點(diǎn)在強(qiáng)迫振動(dòng)工況下的振動(dòng)時(shí)程曲線。

表3 強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)振幅測(cè)試結(jié)果 mm

圖12 跑車(chē)工況主要測(cè)點(diǎn)時(shí)程曲線圖

圖13 跳車(chē)工況主要測(cè)點(diǎn)時(shí)程曲線圖

由于現(xiàn)場(chǎng)條件限制，本次跑車(chē)試驗(yàn)車(chē)輛能達(dá)到的最大速度為20 km/h，跑車(chē)工況下橋面豎向振幅最大值發(fā)生在L/2處，豎向振幅最大值為0.11 mm，車(chē)速為20 km/h。原地跳車(chē)工況下橋面豎向最大振幅0.17 mm。

3.2.2 沖擊系數(shù)測(cè)試結(jié)果及分析

跑車(chē)工況下，實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)見(jiàn)表4。圖14為典型測(cè)點(diǎn)應(yīng)變時(shí)程曲線。

表4 實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)（μ）

圖14 20 km/h跑車(chē)動(dòng)應(yīng)變時(shí)程曲線

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTGD60-2004），沖擊系數(shù)的取值為：

橋梁豎向基頻為13.001 Hz，根據(jù)公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范JTG D60-2004，沖擊系數(shù)μ設(shè)計(jì)取值為0.44，實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)最大值為0.38，可見(jiàn)應(yīng)力沖擊系數(shù)滿足規(guī)范要求。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)先張法折線預(yù)應(yīng)力工字梁橋成橋動(dòng)載試驗(yàn)的分析，結(jié)果表明：

（1）橋梁的實(shí)測(cè)豎向基頻為13.001 Hz，計(jì)算頻率為11.180 Hz，實(shí)測(cè)值大于計(jì)算值，表明橋梁豎向動(dòng)力剛度滿足要求。

（2）跑車(chē)試驗(yàn)時(shí)主梁各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)豎向最大振幅值為0.11 mm，跳車(chē)試驗(yàn)實(shí)測(cè)豎向最大振幅值為0.17 mm，振幅均在正常范圍內(nèi)。

（3）沖擊系數(shù)實(shí)測(cè)最大值為0.38，小于理論計(jì)算值0.44，滿足規(guī)范要求。

（4）成橋后結(jié)構(gòu)的豎向動(dòng)力剛度、自振頻率、振幅、沖擊系數(shù)等動(dòng)力特性實(shí)測(cè)參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，說(shuō)明橋梁整體受力性能良好，滿足設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)荷載等級(jí)的要。