桥梁混凝土力学性能振动效应试验评估

张 煜潘传银石雪飞唐寿高

（1.同济大学应用力学研究所，上海200092；2.同济大学桥梁工程系，上海200092）

桥梁混凝土力学性能振动效应试验评估

张 煜1，*潘传银2石雪飞2唐寿高1

（1.同济大学应用力学研究所，上海200092；2.同济大学桥梁工程系，上海200092）

基于桥梁建造与开放交通加固过程，分别采集施工环境与行车荷载引起的桥梁振动特性，并使用小型振动台进行模拟，以振动时间、频率、幅度以及约束条件等为参数，对混凝土抗压强度与弹性模量两个受力性能进行了振动效应评估。试验结果表明：约束条件起控制作用，有效约束下振动作用导致抗压强度增强，而缺少约束则相反；桥梁建造过程对混凝土抗压强度无明显影响，而开放交通加固过程则影响显著；两种工况下弹性模量振动效应均不明显。

桥梁混凝土，施工环境，行车荷载，力学性能，振动效应，试验评估

1 引 言

桥梁建造过程中，现浇混凝土的凝结硬化过程受到施工环境振动的持续作用。随着服役时间的推移，既有桥梁面临维修加固，由于受到开放交通条件的限制，行车荷载对现浇混凝土的粘结成型过程也会造成影响［1］。Manning等［2］通过比尺试验研究了行车荷载对混凝土抗压强度及其与钢筋的粘结强度的振动效应，结果显示两者均有所提升。Dunham等［3］以速度峰值和振动时间为控制参数进行试验，通过对混凝土抗压、劈裂抗拉强度的测试，发现振动作用造成前者提高而后者降低。张悦然和张永娟等［4，5］借助标准振击筛模拟振动条件，试验结果表明混凝土凝结硬化中期抗扰动能力最弱，并给出了改善建议。魏建军等［6］对初凝与终凝之间混凝土进行不同频率与振幅的振动，发现低频大幅振动会引起劈裂抗拉强度的下降。叶东升等［7］的研究表明火车振动对现浇构件的影响不明显，并主要体现在湿接头界面。

上述结论均与试验中采用的振动特性相对应，与桥梁实际情况仍有一定差距：试验振动时间均在前24 h内，区间跨度较小，振动作用持续时间不足；振动频率、振幅采用固定参数，而实际振动频谱为一个连续分布的范围；没有区分模板的约束作用，而这在陆金平等［8］的研究中得到重视，虽然其试验的振动特性不适用于桥梁混凝土，但说明了约束条件对抗压强度的重要影响。

本文以某主跨为83 m、边跨为54 m的三跨连续梁桥为背景，在实测施工环境、成桥行车引起的桥梁振动特性基础上，在试验室使用小型振动台进行模拟，综合考虑振动时间、频率、幅度以及约束条件等参数，通过测量混凝土试块在3 d、7 d和14 d的抗压强度与弹性模量，对桥梁建造与开放交通加固过程的振动效应进行了评估，明确了不同振动特性对混凝土受力性能的影响。

2 实 验

试验主要材料为普通自来水、52.5级普通硅酸盐早强型水泥、细度模度2.75中砂和最大粒径30 mm碎石，相应的混凝土配合比为0.42∶1∶1.26∶1.97。除施加振动作用外，混凝土的搅拌、成型、养护及测试均依照相应标准［9］执行。

如图1（a）所示，由于该桥横跨运营中铁路线，列车通行是其环境振动的主要影响因素，通过桥面布置的加速度传感器（图1（b））识别出列车通过引起的桥梁各关键点的典型振动特性。经过对比发现跨中悬臂端的竖向振动为控制振动，其振动时程图与频谱图如图2所示，据此确定建造过程的最不利振动特性，同理可得成桥运营后典型行车荷载作用下的桥梁振动特性以模拟开放交通加固过程，如表1所示。在设定的频率与振幅范围内进行扫频振动，单次循环为60 s：低频高幅振动10 s→扫频过渡振动20 s→高频低幅振动10 s→扫频过渡振动20 s。各组试块振动持续时间均为24 h，包含1 440个振动循环，以保证振动效应的充分发挥。

由于桥梁混凝土结构尺寸远大于试验采用的混凝土试块，实际施工中模板对混凝土的约束作用明显小于试块模具的约束作用。为了更接近实际约束条件，并考虑最不利情况，各试验组除浇筑后前24 h内带模振动以外，后续均脱模振动，分别如图1（c）和图1（d）所示。

图1 试验背景与过程Fig.1 Project backgrounds and Experimental studies

图2 跨中悬臂端竖向振动响应Fig.2 Vertical vibration responses of the cantilever end in themid-span

总计进行3项振动试验：针对建造过程与开放交通加固过程的抗压强度试验，浇筑90个100 mm×100 mm×100 mm试块；针对开放交通加固过程的弹性模量试验，包含90个100 mm×100 mm×300 mm试块。每项试验包含5个试验组，如表2所示，其中振动起止时间以水灰接触时刻为起始点，测试过程如图1（e）和图1（f）所示。以第2组为对照组，通过比较各振动组受力特性的相对变化，分别评估建造过程与开放交通加固过程中的桥梁混凝土振动效应，而第1组仅作为分离养护条件影响的补充参考。

表1 振动特性Table 1 Vibration characteristics

表2 试验配置Table 2 Experimental configurations

3 结果与评估

3.1 抗压强度

建造过程中桥梁混凝土抗压强度的振动效应如图3所示。3 d时带模振动组有1.7 MPa的小幅提升；两个脱模振动组无明显变化。7 d时带模振动组有4.6 MPa的明显提升，增幅达13%；两个脱模振动组约有1.5 MPa的小幅提升。14 d时带模振动组增幅回落至1.2 MPa；两个脱模振动组已回落至低于对照组，分别有3.3 MPa和1.5 MPa的降低。试验结果表明：建造过程中，混凝土前7 d的抗压强度增长速度得到提升，但随后又趋于平缓，最终表现为带模振动提升而脱模振动下降，且越早进行脱模振动，强度损失越大；建造过程振动作用相对较弱，混凝土抗压强度变化范围不超过5%，若考虑前24 h带模振动的增强作用，则振动效应几乎可以忽略。

开放交通加固过程中桥梁混凝土抗压强度的振动效应如图4所示。3 d时带模振动组有2.2 MPa的小幅提升；两个脱模振动组分别有4.7 MPa和4.3 MPa的明显降低。7 d时带模振动组提升幅度降至1.5 MPa；两个脱模振动组降幅分别增至6.3 MPa和5.7 MPa。14 d时带模振动组提升达3.2 MPa，增幅为7%；两个脱模振动组强度损失进一步扩大至7.8 MPa和6.0 MPa，最终

图3 建造过程中抗压强度的振动效应Fig.3 Vibration effects on the compressive strength in construction process

图4 开放交通加固过程中抗压强度的振动效应Fig.4 Vibration effects on the compressive strength under traffic loads

降幅分别为18%和14%。试验结果表明：开放交通加固过程中，桥梁混凝土强度增长速度相对稳定，各组规律基本一致；由于振动作用较强导致振动效应显著，即使考虑前24 h带模振动的增强作用，仍分别存在11%和7%的抗压强度损失。

3.2 弹性模量

开放交通加固过程中桥梁混凝土弹性模量的振动效应如图5所示。3 d时各振动组均有不同程度降低，按照降幅从大到小依次为先脱模振动组、后脱模振动组、带模振动组，但最大降幅不超过7%。7 d时各振动组与对照组结果十分接近，差别在2%以内。14 d时带模振动组略有提高，而两个脱模振动组弹模略有损失，变化范围为3%。试验结果表明：开放交通加固过程中，桥梁混凝土弹模相对变化极小，已无法与混凝土自身的离散性区别，振动效应不明显。由于建造过程的振动作用相对更弱，其对混凝土弹性模量的影响可以同理推测，无须赘述。

图5 开放交通加固过程中弹性模量的振动效应Fig.5 Vibration effects on the elasticmodule under traffic loads

4 结 论

通过以上分析可以得到以下结论：

（1）约束条件对桥梁混凝土振动效应起控制作用，混凝土抗压强度在有效约束时提高，而在缺少约束时降低。施工中应严格控制模板质量并适当推迟脱模时间。

（2）桥梁建造过程中混凝土抗压强度振动效应不明显，而开放交通加固过程中则表现显著，为保证结构可靠性，建议对桥梁混凝土进行不低于10%的抗压强度折减。

（3）桥梁建造与开放交通加固过程中混凝土弹性模量的振动效应均不明显。

［1］ Diana G，Cheli F.Dynamic interaction of railway systemswith large bridges［J］.Vehicle System Dynamics，1989，18（1）：71-106.

［2］ Manning D G.Effects of traffic-induced vibrations on bridge-deck repairs［R］.Washington D C，USA：Transportation Research Board，National Academy of Sciences，1981.

［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］ 张悦然，张永娟，张雄.混凝土凝结硬化阶段抗扰动性能研究［J］.混凝土与水泥制品，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］ 张永娟，张悦然，张雄.改善混凝土抗扰动性能的三种途径［J］.建筑材料学报，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）

［6］ 魏建军，邢姣秀，付智.行车荷载引起桥梁振动对修复混凝土性能影响［J］.东南大学学报（自然科学版），2010，40（5）：1057-1060.Wei Jianjun，Xing Jiaoxiu，Fu Zhi.Effect of traffic load induced bridge vibrations on concrete tensile properties［J］.Journal of Southeast University（Natural Science Edition），2010，40（5）：1057-1060.（in Chinese）

［7］ 叶东升，尚守平，范跃武，等.跨铁路桥施工受火车振动影响的研究［J］.公路，2001，（9）：20-24.Ye Dongsheng，Shang Shouping，Fan Yuewu，et al.Research on construction of continuous beam bridge over railway under influence of vibration caused by running train［J］.Highway，2001，（9）：20-24.（in Chinese）

［8］ 陆金平，吴科如，陆廷超.混凝土养护过程中振动干扰的影响［J］.混凝土与水泥制品，1991，（5）：15-17.Lu Jinping，Wu Keru，Lu Yanchao.Influence of vibration disturbance on concrete in maintaining period［J］.China Concrete and Cement Products，1991，（5）：15-17.（in Chinese）

［9］ 中华人民共和国建设部.GB／T 50081—2002普通混凝土力学性能试验方法标准［S］.北京：中国建筑工业出版社，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

广东省交通运输厅科技项目（201202034）

*联系作者，Email：07＿zhangyu＠tongji.edu.cn