窑后头大桥自振特性及动力响应测试结果分析

叶 要 武

(湖南省高速公路建设开发总公司湘西管理处，湖南 湘西 416000)

0 引言

自振频率、动力响应测试是初步评定桥梁状态和基础病害的重要方法。车辆在行驶过程中的荷载作用和其他周边动荷载都会对桥梁的结构产生冲击和震动影响，这些动力作用已成为桥梁结构设计、运营和维修等过程中重要的影响部分[1]。桥梁的路基所承担的力包含两方面：1)上部结构的重量；2)长期的行车荷载作用；车速的提高，荷载密度增大，对路基的冲击作用更强，路基内的附加动应力也随着增大，从而产生更强烈的冲击动荷载[2]。

1 工程概况

本桥位于窑后头附近，桥梁起于一山坡的半山腰处，跨越省道303、农田和冲沟，桥梁主要受地形控制。全桥共2联：2×(3×40) m；上部结构采用预应力混凝土(后张)连续小箱梁；下部结构桥台采用U台，3号～4号桥墩采用薄壁空心墩，其余桥墩采用柱式墩，桥台采用扩大基础，桥墩采用桩基础。桥梁布置如图1，图2所示。

2 测试理论

桥跨结构的动力测试一般包括两方面：一是自振特性测试；二是动力响应测试。自振特性测试一般使用脉动法，通过不同位置的传感器，测量各测点不同方向的振动信号，并将获得的响应信号进行谱分析处理，进而得到各测点功率谱及不同测点和参考点之间的信号相位关系。

动力响应测试主要是测试在动荷载情况下，桥梁各构件受力和变形的时域响应，并分析其构件受力的时程响应与动力放大效应等(即冲击作用)[3]，依据冲击系数评定桥梁的结构条件和通车前的工作状态，初步确定预估桥梁的结构工作性能[4]。

3 试验方法

3.1 脉动试验

在桥面或行车道上测试时无交通荷载或者无规律振源下，通过高灵敏度动力测试系统测定随机荷载激振而引起桥跨结构的微小振动响应(自由振动位移时程曲线)。

对应测试参数：结构的固有频率f0。

3.2 无障碍行车试验

在测试地点不存在障碍的情况下，用一辆重载汽车以20 km/h，30 km/h，40 km/h等速度匀速通过桥梁，根据桥梁的动应变或动挠度曲线测定桥梁的冲击系数，对跑车余振进行分析处理测定桥梁的阻尼比。

对应测试参数：冲击系数μ；阻尼比D。

自振特性测试测点布置为纵向位于J1,J3截面，横向位置布置在测试桥跨距外侧防撞护栏20 cm左右桥面处。测点布置如图3～图6所示。

4 结果及分析

4.1 结构自振特性检测结果

采用脉动、行车余振来增加桥梁震动频率，通过使用较高灵敏加速计记录结构自身的自振信号，并分析计算得出桥梁自身的自振频率，图7～图12为桥梁自振信号频谱图，实测结构自振特性汇总如表1所示。

表1 自振特性检测结果汇总表

在理论识别范围内，桥跨结构的一阶频率均为3.28 Hz。一般确定自振频率的评定标准可由fmi/fdi确定(fmi为自振频率；fdi为理论自振频率)。

具体评定标度如表2所示[5]，通过公式计算得出：该桥左右幅实测自振频率fmi与理论自振频率fdi的比值为1.66，查表2可知：该桥左右幅自振频率评定标度均为1。

表2 桥梁自振频率评定标准

4.2 行车动力响应检测结果

在进行振动信号测试的同时对试验桥跨进行了动应变测试，部分行车试验动力响应实测信号如图13～图18所示。

车辆以不同速度驶过桥梁时，根据图13～图18所示，计算得到桥梁跨中节点最大位移及冲击系数如表3所示。

表3 桥梁跨中节点最大位移及冲击系数

车速/km·h-10203040最大位移/cm1.150 02.080 02.230 02.418 0冲击系数0.809 00.939 01.103 0

经分析：桥梁结构实测最大冲击系数为1.103，已考虑荷载效率修正，根据理论分析[6]频率1.97 Hz换算的冲击系数为1.104，可见桥梁实际冲击系数较小，实际冲击系数小于理论计算值，结构行车条件较好。

5 结语

通过对窑后头大桥进行动脉试验，试验结果表明：桥左右幅自振频率评定标度均为1，采用一阶竖向频率评定该项标度更加客观合理的反映桥梁的技术状况;同时通过无障碍行车试验结果表明:该桥梁的最大冲击系数为1.103，小于理论计算冲击系数1.104，可见桥梁实际冲击系数较小，实际冲击系数小于理论计算值，结构行车条件较好。