桥梁的动载试验研究
2017-03-01周金枝吴宁宁
周金枝， 吴宁宁
(湖北工业大学土木建筑与环境学院， 湖北 武汉 430068)
桥梁的动载试验研究
周金枝， 吴宁宁
(湖北工业大学土木建筑与环境学院， 湖北 武汉 430068)
依据桥梁结构动力荷载试验的试验方法和原理对某桥进行理论计算和实际测试，侧重分析动载试验的检测内容和安全评定，以及该桥的使用机能和效果。通过对比实际值和理论值，实际值均在设计规定的合理范围内，表明桥梁刚度和动力性能满足设计的需求。
动载试验； 理论值； 实际值
桥梁的动载试验是将动荷载作用在桥梁的指定位置，测定桥梁结构自振频率、阻尼比和冲击系数等，它是了解桥梁实际工作状态和承载能力的直接手段[1]。笔者通过对某桥进行midas有限元分析和实桥测试，对该桥的动力特性作出评估[2]。
1 工程概况
该桥位于武汉市李纸路，建于1970年，于2005年进行改造，更换桥面板。南北方向，南侧为武昌大道方向，北侧为三环线，上部结构为预应力简支空心板梁，全桥共3跨，跨径为10.5 m，桥面宽9 m，两侧为人行道，下部结构是重力式墩台。设计荷载为汽-15级。
2 动载试验概述
2.1 脉动试验
桥梁的自振频率、振型和阻尼比是脉动试验主要测量的对象[3]。通过在桥上安装高灵敏度的传感器，长时间记录桥梁结构在环境激励下，如风、水流、地脉动等等导致的桥梁振动，处理记录下来的桥梁振动时程信号，并分析时域和频域，求取桥梁结构自振特性的一种方式[4]。脉动试验测点的布置见图1。环境激励下桥梁的响应信号被多次功率谱平均分析，桥梁的各阶自振频率能够得出。
图 1 某桥的脉动试验测点的布置图
2.2 强迫振动试验
强迫振动试验是利用试验车在桥上跑车对桥梁施加动力荷载，测量桥梁特性位置的振幅，分析测得的桥梁动力响应值分析，桥梁的动力响应特性被得出，进而评估它们。
跳车试验采用原地跳车法，即车辆慢速驶过三角跳车木，车轮着地后停车，跳车都在桥跨的跨中进行，测试桥梁的竖向动力响应。
为了测试动力荷载作用下桥梁的动力系数，在各跨跨中底板各布设动应变测点，测点采用胶基应变片，用动态应变仪进行测试。强迫振动试验测点布置见图2。
图2 某桥动载试验测点布置(单位：cm)
3 动载试验测试仪器和流程
3.1 测试仪器、设备
动载试验设施主要包含891-Ⅳ型的低频传感器，891-Ⅳ型的放大器，日本共和KYOWA YB-506A的动态应变仪，INV智能信号收集处理和分析系统，测量速度的仪器，电脑。
以上测试设施试验之前都通过标定及测试检验。
3.2 测试流程框图
试验流程见图3。
图 3 振动测试分析框图
4 动载试验测试结构及分析
4.1 脉动试验结果及分析
通过对桥梁各测点收集到的脉动信号进行剪切、滤波、加窗和细化等等过程处理，通过频域和时域的详细诊断，得到桥梁竖向低阶弯曲振动频率和对应的振型。脉动试验各测点速度时程曲线与竖向测点脉动响应自功率谱图4～图6。
从图可以看出桥梁实际测量的竖向振动一阶频率是12.5Hz，计算频率是8.5Hz，实际测量的低阶频率大于理论值，说明实际桥梁的刚度满足设计的需求。同时，由于桥梁上部结构实际测量的自振频率与理论有限元分析计算频率的比值大于1.1，依照《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21-2011)，桥梁的自振频率评定标度是1。
图 5 某桥跨中竖向测点脉动响应自功率谱
图 6 某桥竖向一阶振型图
阻尼是振动系统在振动过程中全部耗散振动能量的机制，事实上，桥梁构造系统的阻尼是错综复杂的，包含因为质料分子之间摩擦产生的内阻尼机制、构件之间支承部分和连接部分的摩擦机制、振动时与周围介质(大气等)的互相影响产生的能量的耗散机制、振动时基础与地基互相影响产生的能量耗散机制，等等[5]。
本次试验利用余振法测试各桥梁的阻尼比。通过冲击荷载作用，桥梁的第i个波峰峰值是Ai，第j个波峰峰值是Aj，那么结构阻尼比可表示成：
主线桥跨中测点在跳车荷载作用下的典型速度时程图见图7，结构阻尼比计算结果如表1所示。可见本桥梁阻尼比都在合理的范畴之内。
图 7 某桥跳车测试的标准时程图
测点位置测试工况Ai/(mm·s-1)Aj/(mm·s-1)j-i阻尼比/%阻尼比均值/%跨中第一次跳车第二次跳车1．832．710．350．63873．33．33．3
4.3 跑车测试振幅试验结果和具体分析
受现场条件限制，难以对桥梁进行跑车试验，故对其在正常运行状态下的振动进行了测试，各测点典型时程曲线见图8。试验结果显示，通过行车荷载作用，0.21 mm是桥梁的跨中竖向振动最大幅值，0.06 mm是横向振动最大幅值。
图 8 某跑车测试标准时域图
4.4 冲击系数测试结果及分析
冲击系数，按照《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)，可以取值：1)当f<1.5 Hz时,μ=0.05。2)当1.5 Hz
动应变试验跑车冲击测试系数实际测量值: 第一次测试0.12，第二次测试0.14，第三次测试0.08，第四次测试0.14。最大值0.14，平均值0.12，小于设计冲击系数取值0.43(图9)。
图9 某桥跑车试验梁底动应变典型时程曲线
5 结语
1)12.5 Hz是桥梁实际测量的竖向振动一阶频率，8.5Hz是理论频率，计算值小于实际测量的低阶频率，表明实际桥梁刚度满足设计的需求。同时，因为上部构造实际测量的自振频率与有限元分析的频率的比值大于1.1，按照《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21-2011)，1是桥梁自振频率评定标度。
2)3.3%是实际测量的桥梁阻尼比，属于合理范畴。
3)通过行车荷载，0.21 mm是跨中的竖向振动最大幅值，0.06 mm是横向振动最大幅值。
4)0.14是桥梁实际测量的冲击系数最大值，0.12是平均值，小于设计取值0.43。强迫振动荷载下，桥梁振幅、冲击系数、阻尼比等动力参数在正常范围之内，表明桥梁的动力性能满足设计要求。
[1] 吴建奇,郑晓,张婷婷.公路桥梁工程的动载试验研究[J];铁道建筑，2011(3)：26-28.
[2] 李钊.基于动载试验的桥梁结构检测评估[J];交通科技，2009(2)：24-26.
[3] 王超.大跨度悬索桥成桥状态及动力特性研究[D].武汉：武汉理工大学，2008.
[4] 刘苗,王起才.中承式钢筋混凝土拱桥自振特性分析与动力荷载试验[J]; 城市道桥与防洪 ，2010(5)：48-50.
[5] 张瑛，杨中桂.阻尼对舰炮后坐部分动力学分析影响的研究[J]; 舰船科学技术，2007(s1)：62-63,66.
[责任编校： 张岩芳]
The Test Study of Bridges under Dynamic Load
ZHOU Jinzhi, WU Ningning
(SchoolofCivilEngin.,ArchitectureandEnvironment，HuBeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)
This paper introduces the test method and principle of dynamic load test of bridge structure. The paper, according to the theoretical calculation and practical test of a bridge, focuses on the analysis of the examination content of dynamic load test and safety evaluation, analyzing the application performance and effect of the bridge. By comparing the actual data and the theoretical data, the actual data is within the reasonable range of the design, which indicates that the bridge stiffness and dynamic performance meet the design requirements.
dynamic test; theoretical data; actual data
2016-01-25
教育部留学人员回国启动基金(教外司留[2006]331号)
周金枝(1964-)， 女，湖北武汉人，湖北工业大学教授，研究方向为工程力学和结构工程
吴宁宁(1988-)，男，山东济宁人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为桥梁结构监测
1003-4684(2017)01-0004-03
U446.1
A
