刘金亮 朱 静 贾艳敏*

(1.东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040； 2.辽宁大通公路工程有限公司，辽宁 沈阳 110001)

·桥梁·隧道·

三跨预应力连续梁桥动载试验分析

刘金亮1朱 静2贾艳敏1*

(1.东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040； 2.辽宁大通公路工程有限公司，辽宁 沈阳 110001)

对现有桥梁在动荷载下的受力参数与理论计算的参数相比，得出了该桥梁的实际使用状态，通过模拟实际桥梁，分析了各种不利荷载作用下桥梁的受力响应，该动荷载试验分析结果为箱形连续梁桥的动荷载控制设计提供了数据支持。

动载试验，响应参数，受力分析，不利荷载

随着中国公路网络的逐渐完善，中国新建桥梁的步伐逐渐放缓，随之而来的问题就是服役桥梁，能否满足当今的行车需要，这就需要对其进行检测鉴定。国内较成熟的检测方法是静载加载法，虽然静载试验测量精度高，但是静载试验周期长，人力物力投入量大等一系列问题长期困扰着工程师们。近年来，动载试验以其灵活、简便，不需要过多的人力及机械投入，检测成本低等优点，而被检测工程师认可。

1 动载试验内容

1.1 试验概况

东北林业大学新园区马家沟桥为三跨预应力连续梁桥，桥跨结构长为65.5 m，斜交15°(0号台斜交30°)，跨径布置为(17.5+32+16)m，全长71.28 m。全桥在0号台、3号台各设一道D80型天然橡胶伸缩缝。下部采用柱式墩，双柱式台，桩基础，所有桩基础均为钻孔灌注桩并按摩擦桩设计。桥梁纵断面布置图见图1。

1.2 测点布置

本试验为动荷载试验，为精确测量出该桥梁在各个荷载工况的作用下的动力响应情况，并结合该试验桥梁的实际工程情况。本次测试的测点布置在各跨的跨中、1/4点，支点处，并去除第1跨及第3跨的桥台处的点，共设置11个测试点。横向布置于行车道一侧。测量拾振器与测点布置如图2所示。本试验采用东华动测速度拾振器，可同时获取横向及竖向响应数据，并通过无线传输技术进行数据收集。其工作机理如图3所示。

1.3 试验工况

桥梁动载试验就是要利用荷载引起桥梁的振动，通过评判桥梁的振动响应来综合得到桥梁的使用状态。桥梁动载试验的激振方法包括自由振动法，共振法(强迫振动法)以及脉动法。本次试验利用跳车试验(自由振动法)得到桥梁自振频率。利用跑车试验及刹车试验(共振法)得到桥梁的动态响应。该试验分三个荷载工况：

荷载工况一：在第二跨跨中设置高为15 cm的障碍，汽车后轴从障碍顶面自由下落。

荷载工况二：试验车辆以10 km/h,20 km/h,30 km/h,40 km/h匀速行驶过全桥，为无阻力的行车测试。

荷载工况三：试验车辆以10 km/h,20 km/h匀速行驶，并在跨中处突然刹车。

本次试验车辆为53 t混凝土罐车，轴重分配如下，其中前轴重17 t，两个驱动轴重18 t，两后主轴间距1.4 m，首排主轴轮与前轴间距为4 m。

2 测试结果与理论分析

2.1 结构动态特性的测试结果

为得到三跨连续梁的自振频率，本文利用自由振动法即跳车试验进行激振。通过对自由振动波分析得到该结构的横向与竖向振动的基频。图4和图5分别为中跨跨中截面竖向与横向时域、频域图谱。其中时域图为实测数据，频域图为时域数据经FFT转化之后的结果。

根据国内外学者对振动试验的研究，在结构振动时，是多个不同频率的振动叠合而成，其中以基频振动占绝大部分，所以对基频的研究是研究结构振动的重点。

该三跨连续梁桥竖向基频为5.18 Hz,该结构竖向基频较大，符合小跨径连续梁桥基频较大的特点。结构的横向基频2.05 Hz，动测结果表明结构具有较大的横向刚度，而该结构为单箱单室的大箱梁，这说明该桥梁具有较大的刚度，且使用性能良好。

2.2 车辆耦合作用桥梁动态响应分析

车辆在桥梁结构上行驶，会对桥梁结构产生一个复杂的动力响应。该振动既与车辆的自身振动有关，还与桥结构的动态特性紧密相关，这是个复杂的耦合作用。本文采用实验数据分析和理论模型模拟相结合的方式分析该耦合作用对桥梁结构的作用。

利用东华动测系统，得到各个荷载工况下的时域与频域曲线，并对该曲线进行分析，得到各个荷载工况下的耦合频率及阻尼比。通过数据解析，了解三跨连续箱梁桥的动荷载响应特性。图6、图7给出跑车10 km/h时，跨中截面竖向及横向时域与频域图，图8、图9给出刹车10 km/h时，跨中截面竖向及横向时域与频域图。表1、表2给出各个荷载作用下的耦合频率及阻尼比。

试验结果表明，随着车速的增加横向与竖向的耦合频率都在增加，但竖向耦合频率要远小于基频，而横向耦合频率与实测基频相近，说明跑车及刹车荷载对桥梁竖向作用的影响较大，对横向的影响较小。在相同的车速下，刹车与跑车作用对桥梁的耦合频率十分接近，这说明虽然刹车作用对桥梁行车方向的作用力相比跑车作用力大，但是对桥梁产生的动力响应相近。对预应力钢筋混凝土梁桥而言,当阻尼比ζ介于2%～5%之间,说明桥梁结构无裂缝,该桥的实测阻尼比均在范围内，说明梁体内部不存在裂缝，使用性好。

表1 各荷载工况下竖向耦合频率、阻尼比

荷载工况/km·h-1耦合频率/Hz阻尼比/%跑车103.542.66跑车204.893.57跑车304.983.38跑车405.084.63刹车103.554.03刹车204.904.64

表2 各荷载工况下横向耦合频率、阻尼比

2.3 理论数据计算

本文模型模拟计算采用桥梁设计常用的Midas Civil软件。根据该桥的实际工程概况建立理论计算模型。该模型为平面杆系结构，因此本文只模拟桥梁在动荷载作用下的结构竖向响应，图10给出该三跨连续梁的理论模型。

利用MidasCivil的时程分析的功能，模拟跑车和跳车荷载。得到各荷载工况下的位移曲线，图11，图12分别给出跑车40km/h及中跨跳车荷载的时程曲线。图13，图14给出各荷载工况下的理论位移与实测位移、理论耦合频率与实测频率分析对比图。

由图13可知，中跨跨中实测位移值与理论位移值随各个工况的变化趋势一致，且理论值要大于实测值，这说明桥梁的实际承载能力较好。在跑车试验中，跑车40km/h产生最大的位移为-2.257mm，跑车10km/h产生最小的位移-1.476mm。即跑车速度越快产生的作用越大。各个工况中跳车产生的唯一最大值为-3.37mm。图14表明，在车辆耦合作用下，理论与实际耦合频率随着车速的增加而上升，且最大的振动频率为桥梁自由振动产生的基频，即跳车荷载产生的自振频率。实测耦合频率大于理论计算值，说明桥梁结构在受到动荷载时，利用较短的时间完成振动，这说明该桥的实际刚度大于理论模型的刚度，即桥梁的状态良好。

2.4 理论跳车试验

本文致力于研究三跨连续梁桥在动荷载作用下的最不利状态，作为桥梁动荷载控制设计的数据支持。根据前文所述，该模型与实际桥梁状态吻合良好，且跳车荷载产生的动力响应最大，因此利用该模型模拟分析各种不利跳车荷载。根据三跨连续梁桥的影响线特点，且根据最不利原则，模拟分析跳车荷载作用在左跨跨中，中跨跨中，左、中跨跳车荷载，右、中跨跳车荷载，左、右跨跳车荷载。图15给出左、中跨跳车对中跨跨中截面的影像位移时程曲线。表3，表4给出了各个跳车作用下，三个观测断面即左边跨跨中、中跨跨中、右边跨跨中的最大、最小的位移值。

表3 各荷载作用下观测断面位移最大值

荷载工况观测点挠度值左边跨跨中中跨跨中右边跨跨中左边跨跳车荷载0.07180.74380.008中跨跳车荷载0.73060.79760.6407左中跨跳车荷载0.57561.4071.206右中跨跳车荷载0.65380.63190.1806左右跨跳车荷载0.12411.3840.1389

表4 各荷载作用下观测断面位移最小值

由表4可知，各跨跨中的跳车荷载对该跨均产生较大的位移。最不利跳车位置为左、中跨跨中同时跳车产生，产生最大的下挠度7.922 mm，最大上挠度1.407 mm，即正弯矩最大与负弯矩最大的断面。在各个跳车荷载中，中跨跨中对各跨的影响最大。

3 结语

通过对三跨连续梁桥在汽车荷载作用下引起的动载试验的研究得出如下结论:1)使用跳车荷载法(自由振动法)能够精确地得到桥梁振动的基频特性，安全可靠。2)根据动载试验结果分析，该桥梁刚度、阻尼较大，表明该桥梁具有很好的使用性能。3)本文建立的Midas Civil模型与实测的基频、耦合频率、位移值相吻合，即该模型与实际桥梁的受力特性相吻合。4)通过试验数据分析与理论模拟分析，在跑车40 km/h时，与左、中跨同时跳车时对桥梁的影响较大，该结果可作为桥梁设计时动荷载设计的控制数据。同时在桥梁日常养护中，应注重保持桥面的干净整洁，提高通行能力，避免出现跳车，延长桥梁的使用寿命。

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Three-span prestressed continuous beam bridge dynamic load test analysis

LIU Jin-liang1ZHU Jing2JIA Yan-min1*

(1.CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China;2.LiaoningDatongHighwayEngineeringCo.,Ltd,Shenyang110001,China)

Based on the existing bridges in the dynamic compared parameter calculation parameters and theory under load, it is concluded that the bridge actual using state. The simulation of the actual bridge, the bridge role analysis of various unfavorable loading response. The dynamic load test results to analyze the continuous box beam bridge dynamic load control design to provide data support.

dynamic load test, response parameters, stress analysis, unfavorable load

1009-6825(2014)34-0165-04

2014-09-22

刘金亮(1991- )，男，在读硕士； 朱 静(1985- )，女，工程师

贾艳敏(1962- )，女，博士生导师，教授

U448.215

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