基于动载试验的某双曲拱桥动力性能评价

杨志鹏（甘肃林业职业技术学院，甘肃 天水 741020）

我国在上世纪末期建造了诸多桥梁，其中一些桥梁由于各种各样的原因，出现了比较严重的损伤及垮塌现象。因此，为了使桥梁能够安全的运营，需要对桥梁进行必要的检查及维护[1]。然而，仅仅从桥梁的外观等方面进行检测不能很好的掌握桥梁的性能，为了更好的掌握桥梁的受力性能，经常用动静载试验的方法来评估桥梁的受力性能[2]。

桥梁的动静载试验就是预先计算好桥梁的最不利荷载；然后按照最不利位置进行加载，并在桥梁的相应位置处布置应变计、传感器等装置收集相关参数；最后将测量的结果与计算结果进行比较，符合规范要求则为合格。文献[3-5]就是利用动静载试验对各种桥梁进行了力学性能的评估。本文是在现有研究的基础上，针对加固完成的一座双曲拱桥进行了动载试验，掌握桥跨结构的动力性能和动力反应，从而对该桥的加固结果做出评估。

1 工程概况

某双曲拱桥为单孔净跨径为50m的空腹式双曲拱桥，桥梁全长74.88m，主拱圈由5肋4波组成，桥面宽度为净-7+2×0.5m，原设计荷载为汽车-13级，拖车-60级。根据车辆通行情况，该桥承载力明显不足，为确保该桥的安全、正常运营，适应交通发展的需要，对此桥进行了提载加固处理。

加固时采用的设计荷载为公路—II级，依据提级后设计荷载按照设计规范对结构进行力学计算，根据计算结果对承载力较薄弱的部位进行补强加固，以提高旧桥的承载力。

2 试 验

2.1 测点布置

根据动载测试内容和大桥的结构形式，主要测试截面为跨中截面、1/4跨和3/4跨。

冲击系数、动挠度值测点布置在桥侧1/2截面。测点纵向布置如图1所示。

图1 动挠度测点纵向布置图

动力特性测点布置在桥侧1/4截面、1/2截面和3/4截面，如图2所示。

图2 动力特性测点布置图

2.2 加载方案

动载试验是利用某种激励方法激起大桥的振动，测定大桥的自振频率、动挠度、冲击系数等参量，从而宏观地判断大桥经过加固后的整体刚度与运营性能，对大桥的技术状况、实际工作状态等进行综合分析和评估。

试验时，采用300kN试验车辆分别以速度为5km/h、10km/h、20km/h、30km/h、40km/h的运动状态在桥上行驶，使结构产生动态变形效应，测试桥梁的动力特性参数，并与计算结果相比较，从而对桥梁状态作出评估。

3 试验结果

3.1 有限元模拟

采用空间有限元法建立该桥数值计算模型，模态分析计算得到该桥的自振频率、振型等动力参数，与加固后实测结果进行对比。

利用模型进行计算时，考虑原桥墩及原拱圈自身重量、拱上填料和混凝土路面质量的影响。其拱圈、桥墩、拱上填料、桥面铺装采用梁单元来模拟；基础约束采用固定约束；栏杆、人行道等采用等效荷载的形式加载到拱圈上。结构的动力特性根据上述空间有限元模型用子空间迭代法进行计算。材料性能参数见表1。建立的有限元模型如图3所示。

表1 材料性能参数表

图3 大桥有限元模型三维视图

表2 大桥加固后自振频率实测值

3.2 试验结果

3.2.1 自振频率

试验测得的加固后桥梁的自振频率如表2所示。

由表2可以看出，大桥加固后的自振频率的实测值均大于计算值3.67Hz，说明桥梁结构动力刚度满足要求。

3.2.2 冲击系数

对加固后大桥在不同速度行驶下的冲击系数与理论值进行比较发现，车辆速度为40 km/h时测得的大桥冲击系数最大为1.103，且大桥加固后的冲击系数的实测值小于理论值1.2，说明桥梁结构动力刚度满足规范要求。

3.2.3 阻尼比

对加固后大桥在不同速度行驶下的冲击系数与规范值进行比较，如表3所示。

表3 大桥加固后冲击系数

由表3可以看出，大桥加固后的阻尼比实测值均小于规范值，说明桥梁结构动力性能满足规范要求。

4 结 语

随着使用年限的增长以及使用过程中车辆超载等原因的影响，部分桥梁出现了损伤及垮塌的现象。为了延长桥梁使用寿命，需要对桥梁的使用性能作出评价并采取相应的措施。因此，进行桥梁的使用性能的评价显得很有必要。

本文就是在这样的背景下，对加固后的桥梁进行了动力性能的测试。经过动载试验发现该双曲拱桥加固后的自振频率、冲击系数和阻尼比等动力性能参数均符合要求，可为同类双曲拱桥的动力性能测试提供借鉴。

[1]王晓阳,赵人达.危旧双曲拱桥的内力分析[J].工程设计CAD与智能建筑,2001,(09):59-60.

[2]王文忠.简支转连续梁桥成桥动静载试验研究[J].长春工程学院学报(自然科学版),2012,13(02):9-11+16.

[3]王大刚.双曲拱桥加固及静动载检测数值模拟研究[J].工程建设与设计,2016,(06):111-113.

[4]何涛,张巍,吴植安.基于动静载试验数据的预应力混凝土梁模型修正方法试验研究[J].公路交通科技,2015,32(12):75-80.

[5]吴永毅.基于动静载试验的桥梁状态评估初探[D].华南理工大学,2013.