基于動(dòng)力性能測試的簡支梁橋的長期監(jiān)測
2015-05-14
一、前言：
橋梁作為交通運(yùn)輸?shù)闹匾獦屑~，它的安全性對國民經(jīng)濟(jì)起著舉足輕重的作用。及時(shí)地掌握橋梁結(jié)構(gòu)工作性能，可有效保障其安全運(yùn)營。目前常用的能夠較好的對橋梁進(jìn)行承載能力評(píng)定的方法為動(dòng)靜力荷載試驗(yàn)。但這兩種試驗(yàn)需事先進(jìn)行荷載試驗(yàn)分析設(shè)計(jì)，試驗(yàn)實(shí)施過程中需阻斷交通且試驗(yàn)費(fèi)用較多。
道路中常見的小型簡支梁橋數(shù)量較多，結(jié)構(gòu)具體尺寸及工作狀態(tài)差異大，一一實(shí)施動(dòng)靜荷載試驗(yàn)的可行性較低。雖可通過橋梁外觀檢測對小型橋梁的工作狀況進(jìn)行評(píng)定，但所得結(jié)果較為離散，會(huì)隨檢測人員的工作經(jīng)驗(yàn)和態(tài)度發(fā)生大的波動(dòng)。
本文擬通過對小型簡支梁橋在通行狀態(tài)下的動(dòng)力性能檢測實(shí)施小型簡支梁橋的長期監(jiān)測。
二、橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能計(jì)算理論
橋梁結(jié)構(gòu)的承載力與其剛度密切相關(guān)，結(jié)構(gòu)剛度是評(píng)定橋梁承載力及結(jié)構(gòu)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)（簡支梁橋結(jié)構(gòu)剛度的大小將受到梁內(nèi)混凝土裂縫的數(shù)量、鋼筋銹蝕、混凝土鋼筋材料強(qiáng)度變化等因素的影響），而結(jié)構(gòu)固有振動(dòng)特性的變化是結(jié)構(gòu)剛度改變的直觀反映?？赏ㄟ^對橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能的檢測實(shí)現(xiàn)對橋梁健康狀況的評(píng)估。
實(shí)際工程中可通過橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)基頻與橋梁結(jié)構(gòu)的剛度的關(guān)系建立動(dòng)力性能檢測結(jié)果與橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度的聯(lián)系。
結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的分析計(jì)算：（基本方程）,其中m為質(zhì)量、c為阻尼、k為剛度；（特征方程），其中為結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率、為與振動(dòng)頻率相對應(yīng)的振型。
簡支梁橋的一階振型的振幅較大（與按單質(zhì)點(diǎn)體系的計(jì)算結(jié)果相近），實(shí)際檢測中更易測得一階頻率值，可僅檢測一階頻率并用一階自振頻率來反映結(jié)構(gòu)剛度情況（）。
三、橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)信號(hào)分析
為方便檢測的實(shí)施提高工作效率，需在通行狀態(tài)下進(jìn)行結(jié)構(gòu)振動(dòng)信號(hào)的采集，并通過頻譜分析找出一階頻率值。
實(shí)際檢測過程中，實(shí)測得到的振動(dòng)信號(hào)將是由多種振動(dòng)疊加形成的(將幾種簡單的振動(dòng)信號(hào)按不同方式進(jìn)行疊加即可得到多種復(fù)雜的振動(dòng)信號(hào))。
分析中可通過傅里葉變換對振動(dòng)的信號(hào)進(jìn)行分解，并按頻率順序展開，使其成為頻率的函數(shù)。根據(jù)分析變換得到的頻譜曲線即可找到一階頻率值。實(shí)測得到的簡支梁橋振動(dòng)信號(hào)的主要成份為橋梁一階振動(dòng)信號(hào)，它的振幅相對組成實(shí)測信號(hào)的其它信號(hào)的幅度大，在頻譜分析曲線中可取曲線中幅值最大處的頻率作為實(shí)測得一階振動(dòng)頻率值。
四、通行條件下簡支梁橋一階頻率檢測
通行條件下汽車的通行將成為振動(dòng)的主要激勵(lì)作用，檢測無需特意采取激振措施。但考慮到小型簡支梁橋的自重較小，汽車的重量將對實(shí)測得到的一階振動(dòng)頻率產(chǎn)生影響。分析中可認(rèn)為簡支梁橋的一階振動(dòng)將以不含汽車附加質(zhì)量（汽車已通過橋）和含汽車附加質(zhì)量（汽車在橋上）兩種狀況進(jìn)行振動(dòng)。
根據(jù)一階頻率簡化計(jì)算公式可知，在不含汽車附加質(zhì)量時(shí)結(jié)構(gòu)的一階自振頻率比包含汽車附加質(zhì)量是的一階頻率要大。
頻譜曲線顯示出結(jié)構(gòu)振動(dòng)的一階和三階頻率的位置，但其一階頻率位置出現(xiàn)了兩個(gè)峰值。這與分析中考慮的車在橋上和不在橋上時(shí)振動(dòng)效應(yīng)會(huì)不相同的現(xiàn)象吻合。宜取用一階頻率位置處頻率較大的那個(gè)峰對應(yīng)的頻率值。
五、基于動(dòng)力性能測試的簡支梁橋的長期監(jiān)測
通行狀況下基于動(dòng)力性能測試的簡支梁橋的長期監(jiān)測，宜按一定周期予以實(shí)施，檢測所得的一階自振頻率的變化可為結(jié)構(gòu)剛度的變化提供較準(zhǔn)確的監(jiān)測依據(jù)。
監(jiān)測過程中宜將振動(dòng)信號(hào)采樣點(diǎn)設(shè)于簡支梁的跨中(橋面路緣處)，并設(shè)置永久標(biāo)記以方便下一次的采樣。
基于動(dòng)力性能測試的簡支梁橋的長期監(jiān)測以不同時(shí)間點(diǎn)測得的一階頻率間相對變化作為結(jié)構(gòu)性能變化的判定依據(jù)，可避開進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)性能理論計(jì)算及理論計(jì)算造成的誤差（理論計(jì)算會(huì)受到計(jì)算方法和對橋梁成橋狀況與設(shè)計(jì)狀況間的差異的影響）。
