预应力混凝土连续空心板梁桥动载试验分析

苏树林

（福建林业职业技术学院，福建南平353000）

1 工程概况

本项目位于福建省诏安县，桥梁起点桩号是AKO+116.5，终点桩号是AK95+403.5，桥梁全长287米，桥型布置为（4×20米+5×20米+5×20米）预应力混凝土连续空心板梁桥。

桥梁所在路线是直线段。桥墩为柱式墩，桩基础为钢筋混凝土灌注桩基础；桥台为板凳台和柱式台，基础采用灌注桩。漳州方向桥台、诏安方向桥台与桥面板处各设一道D40型伸缩缝，墩与墩连接处设一道D80型伸缩缝。桥梁设计荷载等级为公路-Ⅰ级，桥梁设计安全等级为一级，桥梁结构设计基准期为100年。

受建设单位委托对本项目桥梁实施动载试验，通过现场外观检测，对桥梁总体情况进行评价，再考虑连续空心板梁桥的受力特征，决定在第二联实施动载试验。通过测试桥跨结构的自振参数，来评定预应力连续空心板梁桥实际动力响应能力，检测冲击系数等指标能否符合设计规范的要求。梁纵断面图见图1，主桥墩顶横截面图见图2。

图1 纵断面图（单位：cm）

图2 主桥墩顶横截面图（单位：cm）

2 动载试验方案

桥梁在荷载作用下的振动参数是结构振动的固有特性，对它进行结构动力分析的必要参数就是结构振动参数。桥梁动荷载试验就是通过测试自振参数和动荷载振动参数来分析桥梁所处的健康状态。分析桥梁结构的自振参数与动荷载振动参数，来测试相关指标是否满足设计规范，进一步分析桥梁上部结构的整体刚度和稳定性能。

2.1 检测项目

2.1.1 环境振动试验

环境振动试验的过程需要记录空心板梁的自振频率，本检测项目就是在所测桥跨上面贴上合适数量的高灵敏度传感器，在预设的一段时间内记下空心板梁结构在风等外界条件下引发的振动，对记录下来的信号进行仔细的数据分析，得出桥梁的自振参数，自振参数主要是自振频率和阻尼比。外界坏境引起的振动频率与空心板自振频率相近时，结构吸收环境振动能量，会使振幅增大。当两者频率相差比较大时，很大部分能量相互抵消，空心板梁振幅较小。对环境振动下的信号进行多次分析，可以得到结构各阶自振频率，一般来说，第一阶频率最大。通过环境振动试验可以测试出空心板梁的多阶频率和阻尼比。

2.1.2 无障碍行车试验

无障碍行车试验就是设计一定重量的车辆在桥面上以预定的速度行驶通过，在这过程中车辆产生动力荷载对桥梁有一定的作用，我们使用一些仪器设备测定桥梁特定部位的振幅与动应变，对测到的数据进行分析，以得到桥梁动力响应参数。

根据规范要求，本试验车辆行驶速度设计为四种，分别为10千米/小时、20千米/小时，30千米/小时、40千米/小时，每一车速驶过两次，以测出空心板梁的应变时程曲线。试验效率为设计荷载下控制截面最大内力与试验车辆荷载作用下控制截面的最大内力的比值。测试断面为第八跨离9号墩1米处横断面（C-C横断面）。公路-Ⅰ级设计荷载作用下，速度不影响最大内力，C-C横断面设计弯矩值是343.70千牛·米，试验车辆荷载施加在桥面上时，C-C横断面最大弯矩值在各车速下均是192.47千牛·米，试验效率经规范规定的上述公式计算，在各车速下均是0.56。符合检测规范小于等于1的要求。

2.2 确定测试断面

2.2.1 环境振动试验

环境振动试验时，把3个拾振器放在第八跨空心板连续梁的1/4跨、1/2跨、3/4跨处，这三处梁底最左端一片空心板底部设置1个，一共设置3个（1#点、2#点、3#点），目的就是测出空心板梁结构垂直方向的自振参数。

2.2.2 无障碍行车试验

无障碍行车试验测点放在A-A截面（第八跨离8号墩1米处横断面）的空心板梁底面（第四块和第五块空心板板底1#点、2#点），测出四种行驶速度下桥梁上部结构被迫振动时的时程曲线，通过曲线特征计算冲击系数。

3 环境振动测试

3.1 实测数据

自振频率的测定采用速度传感器，采集样本的频率为100Hz，每个测试点采集30分钟。根据速度传感器传回的数据分析，在试验中收集外界环境所产生的荷载作用时的响应参数，分析得到空心板梁在环境荷载下的时程曲线。对试验设计的几个测点的时程曲线进行模态分析，得到竖向一阶实测频率为6.25。

3.2 理论计算

通过Midas civil软件进行理论分析，得到第1阶模态数据，竖向1阶模态理论计算频率是4.39。

3.3 分析评定

把环境振动作用下拾振器得到的空心板梁实测频率和midas软件建立模型进行理论计算得到的频率对比分析，空心板梁跨竖向1阶模态实测频率得到6.25Hz，理论基频值是4.39Hz，实测基频值/理论频率计算值=1.42，阻尼比为2.5%。一阶振型频率的实测值比理论值要大，说明空心板梁实际的刚度比计算得到的理论刚度要大一些。结构自振特性试验说明了此连续空心板梁桥的整体刚度比理论值要大，主桥承载能力处于良好状态。

4 无障碍行车试验分析

⒋1 冲击系数

被迫振动是空心板受到随时间变化的荷载作用时所产生的反应，本项目主要是车辆从桥梁一端驶向另一端，中间某一时间受到的荷载作用最大，四种速度可以得到四个时程响应曲线。根据应变的变化幅度来确定冲击系数。

在A-A截面的空心板梁底部放置1#与2#测点来分析动应变参数，当测试货车以四种不同速度通过空心板梁桥，系统自动采集货车对桥梁产生激振时的自动数据自动生成应变时程曲线。货车车速分为四种，分别是10千米/小时、20千米/小时、30千米/小时、40千米/小时。从测出的四种动应变时程曲线进行理论分析得出车辆结果A-A截面时应变为最大值，且振幅随时间呈波动状态，有波峰值和波谷值。

测试车辆速度为10千米/小时时，A-A横断面1#应变测点实测应变峰值为44.06×10-6，A-A横断面应变测点实测应变谷值为36.48×10-6，根据冲击系数的定义，可以得出实测冲击系数为 0.094；2#应变测点实测应变峰值为45.11×10-6，A-A横断面应变测点实测应变谷值为37.52×10-6，根据冲击系数的定义，可以得出实测冲击系数为0.092。

测试车辆速度为20千米/小时时，A-A横断面1#应变测点实测应变峰值为40.70×10-6，A-A横断面应变测点实测应变谷值为36.62×10-6，根据冲击系数的定义，可以得出实测冲击系数为 0.053；2#应变测点实测应变峰值为41.42×10-6，A-A横断面应变测点实测应变谷值为37.16×10-6，根据冲击系数的定义，可以得出实测冲击系数为0.054。

测试车辆速度为30千米/小时时，A-A横断面1#应变测点实测应变峰值为34.48×10-6，A-A横断面应变测点实测应变谷值为29.04×10-6，根据冲击系数的定义，可以得出实测冲击系数为 0.086；2#应变测点实测应变峰值为36.41×10-6，A-A横断面应变测点实测应变谷值为30.23×10-6，根据冲击系数的定义，可以得出实测冲击系数为0.093。

测试车辆速度为40千米/小时时，A-A横断面1#应变测点实测应变峰值为37.34×10-6，A-A横断面应变测点实测应变谷值为35.05×10-6，根据冲击系数的定义，可以得出实测冲击系数为 0.032；2#应变测点实测应变峰值为38.41×10-6，A-A横断面应变测点实测应变谷值为36.34×10-6，根据冲击系数的定义，可以得出实测冲击系数为0.028。

通过对预应力连续空心板梁桥理论计算，此桥1阶振型基频值是4.39，依据规范进行计算，冲击系数取0.246。

4.2 分析评定

冲击系数反应了桥梁实际承受荷载的动力响应能力和桥面平整度，实测最大冲击系数为10千米/小时时最大，其值为0.094，理论计算冲击系数值为0.246，此时理论值比实测值大很多，说明桥梁健康状态比理论上的要好很多，桥面的平整度和舒适性相对较好。

5 结论与建议

试验中对动荷载试验所得到的数据进行理论分析，该空心板梁桥实测所得自振频率与相近桥梁的频率值放在一起进行分析，本空心板梁桥频率值在正常值附近，而且本项目实测空心板频率超过理论计算值很多，实测分析得到的阻尼比值也未发现异常，结构自振特性试验说明此连续空心板梁桥的整体刚度比理论值要大，主桥承载能力处于良好状态。桥面无障碍行车试验中，理论计算冲击系数值为0.0246，此时理论值比实测值大很多，说明桥梁健康状态比理论上要好很多。

综上，本项目桥梁达到公路-Ⅰ级标准所要求的强度与刚度。试验中也未发现空心板梁有新的裂缝，建议按规范要求进行养护，并加强日常巡查力度及时掌握桥梁的实际工作状态，确保桥梁使用中的安全，保障交通顺畅。