某大跨径PC连续刚构桥动载试验研究

欧阳智翔

(重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074)

0 引 言

动载试验是测试桥梁结构的自振特性和在车辆动力荷载作用下桥梁结构的动力响应,这些特性参数是判断桥梁结构动力性能的重要指标。以此检验桥跨结构的实际承载能力、结构变形及抗裂性能是否满足有关技术规范要求,并结合理论计算分析结果,科学评定桥梁结构目前的技术状态是否满足设计要求,能否交付正常使用,并且寻求桥梁整体结构的变形规律,了解结构的实际受力状况和工作状况,为日后桥梁运营、养护及管理提供科学依据。

1 工程概况

该桥上部构造为(90+160+90)m三跨预应力混凝土连续刚构。箱梁根部梁高9.604 m,跨中梁高2.80 m,顶板厚28 cm,底板厚从跨中至根部由30 cm变化为105 cm,腹板从跨中至根部分段采用40 cm、70 cm两种厚度,箱梁高度和底板厚度均按1.8次抛物线变化。主桥桥墩采用矩形空心墩,过渡墩桥墩采用等截面实心墩。该桥设计汽车荷载等级为公路-I级(图1)。

图1 该桥桥型布置图

2 主桥试验控制及加载

2.1 动载试验项目及测点布置

该桥动载试验主要测试项目包括:脉动试验、跑车试验。根据在试验前桥梁外观检查结果综合分析,确定本次动载试验选择主跨l/4截面及l/2截面为控制截面。

2.2 动载试验加载

脉动试验:在桥面无任何交通荷载以及桥址附近无规则振源的情况下,通过高灵敏度动力测试系统测定风荷载、地脉动、水流等随机荷载激振而引起桥跨结构的微小振动响应,测得结构的自振频率和阻尼比等动力学特征。

跑车试验:试验时采用2辆重380 kN的试验车并排横向对称布置,分别以10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h、50 km/h的速度通过桥跨结构,由于在行驶过程中对桥面产生冲击作用,从而使桥梁结构产生振动(图2)。通过动力测试系统测定桥跨结构主要控制截面的振动及动应变、动挠度时程曲线,得到桥梁主要控制截面在不同车速下的最大振动速度、动应变、动挠度及动力冲击效应。

图2 动载试验跑车图

跳车试验:试验时,采用1辆380 kN的试验车的后轮在桥梁测点位置从高度为15 cm的三角形垫木突然下落,从而对桥梁产生冲击作用,激起桥梁的竖向振动。测定此时桥梁主要控制截面测点的最大振动速度及桥梁结构的自振频率。

3 动载试验结果

3.1 基频测试结果与分析

脉动试验采用高灵敏度的DH610拾振器拾取结构振动信号并由计算机采集和记录,采用频域分析法分析结构的前4阶自振频率及阻尼比。

跳车试验在中跨l/2及l/4截面采用跳车试验使桥梁产生按指数规律衰减的自振信号,根据衰减信号分析桥梁的自振频率。

无障碍跑车试验对跑车余振信号进行频谱分析得出桥梁的前4阶自振频率。

桥梁前4阶自振频率实测值与理论计算值的对比见表1。

表1 该大桥实测前4阶自振频率及阻尼比FFT分析结果

该桥1、3阶自振频率的FFT分析结果如图3所示。

图3 该桥1、3阶自振频率FFT分析结果(l/2截面)

由表1、图3可知,实测频率值大于计算数值,即实测动刚度大于理论动刚度,结构整体刚度及技术情况良好,小阻尼振动。

3.2 结构的动力系数分析

由动应变的实测时程曲线,通过分析计算可得到桥梁结构的动力系数。结构的动力系数计算公式为:

式中:Smax为动力荷载引起检测部位的实测最大动力变形或力值(即最大波峰值);Smean为静力荷载引起同一检测部位的最大静力变形或力值；Smin为与Smax相应的最小值,即同一周期的波谷值。

分析本桥各跑车试验工况下l/2截面及l/4截面动挠度测点的动挠度实测结果计算得出结构的动力系数，见表2。

表2 动力系数分析结果

在l/2截面，以30 km/h速度开的跑车试验的动挠度系数计算如图4所示。

图4 30 km/h跑车l/2截面动挠度系数计算图

4 结 论

通过脉动试验结果分析,桥梁实测前4阶自振频率分别为1.245 Hz、2.124 Hz、2.515 Hz、3.271 Hz,前4阶竖向固有频率与理论频率比值介于1.06～1.12,表明桥跨结构实际整体刚度大于理论刚度。这与静载试验挠度测试结果相符,且频率分布与理论计算相符。前4阶竖向模态阻尼比介于0.004 4～0.012 7,属于小阻尼振动,处于同类桥型结构正常范围。

分析10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h、50 km/h不同匀速跑车试验数据可知,l/2截面实测动力系数介于1.014～1.024,l/4截面实测动力系数介于1.012～1.042,均小于规范取值1.050,说明桥跨结构冲击效应较小,桥梁行车性能良好,桥面平整程度良好。

跳车试验数据分析结果表明,跳车工况实测桥梁1阶自振频率与跑车工况跑车余振信号实测值较为接近,且均大于桥梁理论计算固有频率。