主讲人：HNTB 的 Andy Foden
概述：虽然经常被忽视，但公路桥梁的异常振动会导致人体不适，并影响桥面的使用寿命和耐用性。达拉斯-沃斯堡都会区最近建造的一座预应力混凝土工字梁桥经历了过度振动，导致桥面出现大面积横向裂缝和坑洞。无损评估 (NDE) 和诊断负载测试显示甲板上存在严重分层，并且甲板-梁界面处存在部分复合作用。桥梁的环境振动测试显示，由于部分复合作用引起的桥梁刚度降低，固有频率相当低。使用 NDE 和诊断负载测试结果开发和校准有限元模型。该模型随后用于评估减振改造技术，例如大梁之间的混凝土剪力键限制器、致密混凝土桥面覆盖层、桥面-大梁界面处的底切锚固件以及重新浇铸具有大范围脱层的桥面区域。剪力键对桥梁的固有频率带来了最显着的改善。此外，它是最便宜的选择，并且不需要交通封闭，因为桥弯位于交通之外。
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“欢迎大家参加这次会议，本来是 Nur Donnie 主持并做这个报告的，但他上周五给我发了邮件说他生病了，不能来参加 ACI 会议，所以我自愿代替他主持会议并为大家做他的报告。这是他的工作，不是我的，所以如果有问题，我可以转达给他。报告的大纲如下：我们将介绍研究背景、问题陈述、研究目标、测试桥梁的描述、环境振动测试、动态荷载测试、有限元模型校准、加固措施，最后是结论。
美国州际公路官员协会（ASHTO）2020 年版的规范只规定了一个挠度限值，这对于抵抗桥梁的振动是不够的。另外，规范还使用了一个由动态响应与静态响应之比定义的动态影响因子，来放大活载荷，而没有考虑到每个桥梁的振动严重程度。此外，已经证明，高速公路桥梁构件在正常交通流量下的峰值加速度，是影响桥面板开裂的最重要的参数。对于长跨桥梁，可以通过测量桥梁的动态特性，如加速度、自然频率和模态振型，来评估高速公路桥梁的当前状况。
我们的问题陈述是这样的：位于德克萨斯州麦金尼市的威尔逊溪桥，被观察到有逐渐加剧的裂缝，桥面板上有局部的坑洞，当重型交通通过桥梁时，桥面板上感觉到过度的振动。UTA 团队最初于 2018 年 1 月 29 日与 TxDOT 的人员一起访问了桥梁现场。这座桥梁建于 2011 年，对于一座只有七年历史的桥梁来说，出现这样的问题是不寻常的。
我们对桥梁进行了诊断性荷载测试和无损评估，发现桥面板和梁之间有明显的剥离，而且中性轴位置与理论上的完全复合位置有显著的偏移，表明在桥面板、梁和现浇 PCP 之间失去了复合作用。一年后对桥梁进行的跟进荷载测试显示，梁面板系统的应变响应呈非线性，复合作用只有 59%。剥离和部分复合作用降低了上部结构的刚度，并引起了过度的振动。关于测试桥梁的荷载测试和 NDE 评估的更多信息，可以从文献中获取。
当前的研究探讨了部分复合作用和桥面板剥离对测试桥梁动态特性的影响，以及各种减轻振动、部分复合作用和剥离的加固方法。因此，这项研究可以作为未来研究预应力混凝土梁桥的部分复合作用诱导振动的动态评估和加固的基准。其具体目标如下：一、对测试桥梁进行环境振动测试，测量上部结构构件在垂直和水平方向上的最大加速度；二、对另外两座没有明显问题的类似参考桥梁进行环境振动测试；
为了比较测试桥梁和参考桥梁的最大加速度，我们对有振动问题的桥梁进行了环境振动测试。另外，我们还通过动态测试得到了测试桥梁的自然频率和模态振型。然后，我们用 Abaqus CAE 建立了一个具有测试桥梁有效桥面宽度的代表性梁的模型，并用荷载测试数据进行了校准。最后，我们在校准后的模型上应用了实用和经济的加固方法，以减轻振动。
测试桥梁是 2011 年建造的，位于德克萨斯州麦金尼市的 75 号州际公路（SH75）上跨威尔逊溪的桥梁，有南北向两座桥梁。每座桥梁有四个跨度，每个跨度包括 11 根德克萨斯州交通部标准的 TX 54 预应力混凝土 I 型梁，梁间距从 2.74 到 2.9 米不等。桥面板由预制预应力混凝土板和现浇混凝土板复合而成，宽度为 2.987 米，厚度为 216 毫米。我们在正常交通流量下对南向 SH75 跨威尔逊溪的桥梁进行了环境振动测试，以测量梁和桥面板的加速度，并与两座没有振动问题的参考桥梁进行了对比分析。这两座参考桥梁分别是北向 SH75 跨威尔逊溪的桥梁和北向 SH75 跨弗吉尼亚公园道的桥梁，它们都位于德克萨斯州麦金尼市，与测试桥梁类似，都是由预制预应力混凝土板和现浇混凝土板复合而成的 TX 54 梁桥。
我们从所有测试桥梁的梁底和部分桥面板处收集了振动数据，另外，一些墩顶和支座垫也被安装了传感器。三座桥梁的环境振动测试方案如图所示。每个位置的数据采集包括以每秒 100 个数据的速率记录 15 分钟的振动数据，使用的仪器是振动仪。所有的测试都是在下午 4 点到 6 点之间进行的，以捕捉重型交通对振动参数的影响。图中显示了南向威尔逊溪桥梁上典型的振动仪位置。南向威尔逊溪桥梁的梁的最大横向加速度比北向威尔逊溪桥梁和北向弗吉尼亚公园道桥梁分别高出 145% 和 86%。同样，南向威尔逊溪桥梁的最大垂向加速度比北向威尔逊溪桥梁和北向弗吉尼亚公园道桥梁分别高出 140% 和 40%。南向威尔逊溪桥梁上部结构的过高加速度表明梁面板系统的刚度降低，这与之前进行的 NDE 和荷载测试的结果一致。因此，桥梁上的横向和纵向裂缝、坑洞和过度振动都是由剥离和部分复合作用导致的桥面板刚度降低造成的。
在荷载测试的当天，我们在桥梁上标记了各个跨度的起始、中间和结束位置，以及卡车行驶的路径。图中显示了不同的荷载路径。卡车从 4 号墩之前开始行驶，到 3 号墩之后停止。对于每个荷载路径，我们在受到最大影响的梁上安装了一个振动数据记录仪。如图所示，在 P1 路径上，由于 1 号梁在其路径上受到最大的影响，所以我们在其跨中位置安装了记录仪。同样，在 P2 和 P3 路径上，我们分别在 4 号梁和 8 号梁的跨中位置安装了记录仪。此外，我们还在 3 号梁和 4 号梁之间的桥面板的跨中位置安装了记录仪。 我们对桥面板进行了 P2 路径的荷载测试，以评估桥面板的响应。我们从动态振动数据中提取了南向威尔逊溪桥梁的自然频率，方法是应用快速傅里叶变换（FFT），将时域数据转换为频域数据，并分离出信号的各个频率和幅度。然而，实验自然频率为 2.03 赫兹，比文献中的理论值低得多，这是由于桥面板梁系统的裂缝发展和刚度降低造成的。桥面板的严重剥离和梁面板系统的部分复合作用显著降低了上部结构的刚度，导致了高加速度和低基频。
为了节省计算成本，我们用 Abaqus CAE 建立了一个单梁复合桥面板的模型，而不是整个南向威尔逊溪桥梁的跨度。模型最初是用文献中报告的荷载测试数据进行校准的，以捕捉桥梁的现场行为。梁采用了三维可变形的实体单元进行建模，而嵌入的钢筋采用了二维的桁架单元。所有模型构件的网格尺寸为 127 毫米。桥面板的压缩强度行为采用了损伤塑性（CDP）模型，梁钢的应力应变关系采用了双线性应变硬化模型，具有两个不同的斜率。低松弛预应力钢绞线的应力应变关系采用了 PCI 2021 的近似公式。为了引入部分复合作用，我们给梁面板接触面分配了 103 兆帕的剪切刚度，这个值是在用文献中报告的静态荷载测试结果校准模型后得到的。法向刚度系数 knnn 被赋予了一个恒定的大值 6,895 千兆帕，因为只有接触面之间的剪切破坏被建模，以引入部分复合作用。在模型中，我们在一般静态步之后创建了一个动态频率步，求解了前 10 个特征值。动态模型的校准涉及了改变桥面板的刚度，从 100% 到 60%，因为荷载测试和 NDE 结果证实了桥面板系统的剥离和刚度降低。当桥面板的剩余刚度为 60% 时，模型的频率与实验结果非常吻合，偏差很小。
我们提出了用剪力键进行加固的方法，剪力键是沿着梁的纵向方向，长度为 30-38 厘米的混凝土块，它们被安装在梁的底翼缘之间，以减少上部结构的横向移动。图中显示了加固后的上部结构和墩顶的横截面。这种方法不会影响桥下的交通，因为在行车道外有足够的施工空间。我们在校准后的模型的梁端处应用了剪力键，横向固定度为 38 厘米。可以观察到，剪力键将自然频率从 2.41 赫兹提高到了 3.11 赫兹，增加了 29%。然而，根据 Aman 的说法，南向威尔逊溪桥梁的最小自然频率应该是 3.28 赫兹，因此，仅仅安装剪力键是不够的。
为了增加上部结构的横向刚度，从而完全解决振动问题，我们提出了用密实混凝土覆盖层进行加固的方法。利用回声法测得的数据显示，桥面板有很大的剥离区域，主要在 102 毫米的深度范围内。因此，我们建立了两个模型，分别去除了桥面板顶部的 51 毫米（半深度）和 102 毫米（全深度）的剥离混凝土，并用密实混凝土覆盖层重新浇筑。另外，我们还建立了两个模型，将剪力键和密实混凝土覆盖层结合起来。从表中可以看出，密实混凝土覆盖层提高了刚度，消除了剥离，导致自然频率增加了 18%。而且，密实混凝土覆盖层和剪力键的结合使自然频率几乎增加了 50%。51 毫米的覆盖层和剪力键的结合使自然频率达到了 3.36 赫兹，高于前一项研究的 3.28 赫兹的最小值。因此，51 毫米的覆盖层和剪力键的结合是减轻南向威尔逊溪桥梁过度振动的最佳方案。
由于桥面板在 127 毫米的深度处嵌入了梁，所以在桥面板和梁之间的接触面上，分配了一个约束条件，以确保每个锚固点处的完全粘结。桥梁的其余部分的梁面板接触采用了粘结接触。图中用红色块表示了桥面板接触面上的约束区域，表示了埋锚的张力锥体。在建模过程中，考虑了 20、40、60 和 80 个锚固件。另外，还用剪力键和锚固件结合起来，以监测它们的综合效果。这个表比较了校准后和加固后的模型的自然频率。埋锚通过提高梁和桥面板系统之间的复合作用，增加了系统的刚度。可以观察到，即使在顶翼缘的每一侧安装了 80 个锚固件，自然频率也只有 3.13 赫兹，仍然低于文献中的 3.28 赫兹的最小值。然而，顶翼缘每侧 40 个锚固件和剪力键的结合，可以减轻过度的振动，使自然频率增加了 60%。由于回声法的数据显示，梁线上有普遍的剥离，所以我们去除了梁顶翼缘宽度的 2/3 的桥面板（61 毫米宽的条带），并用密实混凝土重新浇筑，以提高复合作用和系统刚度。我们使用了抗压强度分别为 41.4 和 27.6 兆帕的高强度混凝土和普通混凝土。同样，我们也去除了沿着板线的 30 毫米宽的条带，并用同样类型的混凝土重新浇筑。现有的桥面板是由抗压强度为 28 兆帕的混凝土制成的。我们假设新的混凝土与桥面板和梁完全粘结，因此在表面之间定义了约束接触。我们还将剪力键和这种加固方法结合起来，以评估它们的综合效果。用高强度混凝土重新浇筑梁线和板线，使自然频率提高了 25%，但仍低于文献中的 3.28 赫兹的最小值。然而，与剪力键结合后，普通混凝土和高强度混凝土的加固分别使自然频率提高了 41% 和 45%。另外，它们还产生了高于 3.28 赫兹最小限值的自然频率。因此， 剪力键和重新浇筑梁线和板线的普通混凝土的结合，可以减轻过度的振动。接下来，我们对加固方法的成本进行了分析。可以看出，剪力键是最经济有效的方法，而且不需要封闭交通，因为剪力键很便宜，可以有效地与其他加固方法结合。密实混凝土覆盖层是一种昂贵的方法，需要大量的交通封闭。埋锚是最昂贵的方法，因为钻孔和安装需要高技能的劳动力。重新浇筑梁线和板线比密实混凝土覆盖层和埋锚便宜，只需要适度的交通封闭。
最后，我们得出了以下结论：在正常的高峰期交通下，测试桥梁的梁在横向方向上的最大加速度，比另外两座可比较的桥梁高得多。测试桥梁的基频也比文献中提到的可接受频率低得多。部分复合作用导致的刚度降低是低基频和高加速度的原因。剪力键本身或与其他方法结合，都可以显著提高系统的自然频率。密实混凝土覆盖层减少了桥面板顶部的剥离。埋锚直接增加了系统的复合作用和刚度。重新浇筑梁线和板线，改善了复合作用，减少了桥面板的剥离。感谢 Nur 的报告。”
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