廈門(mén)湖濱西路口跨線(xiàn)橋靜動(dòng)載試驗(yàn)研究

劉羽宇

(中國(guó)民用航空飛行學(xué)院飛行技術(shù)學(xué)院，四川廣漢618307)

隨著我國(guó)鋼鐵工業(yè)和鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)橋梁越來(lái)越被眾多建設(shè)單位采用，鋼箱連續(xù)梁橋更是以其斷面小、抗扭剛度大、強(qiáng)度高、重量輕、外形簡(jiǎn)潔流暢、設(shè)計(jì)方便和施工快捷迅速等優(yōu)點(diǎn)[1]而在城市交通中被廣泛應(yīng)用。

已建成的湖濱西路口跨線(xiàn)橋位于廈門(mén)市快速交通系統(tǒng)(BRT)一期工程一號(hào)線(xiàn)島內(nèi)段湖濱西路口處。主梁為4跨(27.5 m+2×42.5 m+27.5 m)連續(xù)鋼箱梁，鋼箱梁采用單箱單室斜腹板截面，梁高2.60 m。箱梁頂寬9.80 m，箱底寬4.46 m，兩側(cè)懸臂長(zhǎng)度為1.78 m。為檢驗(yàn)該橋的設(shè)計(jì)合理性與施工質(zhì)量，確定工程的可靠性，判斷其實(shí)際承載能力，評(píng)價(jià)其在設(shè)計(jì)使用荷載下的工作性能，對(duì)該橋進(jìn)行了自振特性及靜、動(dòng)載試驗(yàn)研究，并用有限元軟件做了對(duì)比計(jì)算分析。

1 試驗(yàn)加載設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)加載設(shè)計(jì)

為合理進(jìn)行此連續(xù)鋼箱梁橋的荷載試驗(yàn)，針對(duì)該橋做了相應(yīng)的詳細(xì)計(jì)算分析工作。本次試驗(yàn)采用橋梁博士軟件計(jì)算了該鋼箱梁橋在城-B、BRT荷載以及直線(xiàn)電機(jī)B型車(chē)活載(設(shè)計(jì)控制荷載)作用下的結(jié)構(gòu)彎矩包絡(luò)圖，據(jù)此并結(jié)合橋跨實(shí)際情況確定了本橋的試驗(yàn)工況。全橋選取3個(gè)試驗(yàn)斷面，分別為第3跨及第4跨跨中最不利正彎矩及支點(diǎn)附近最不利負(fù)彎矩工況，如圖1所示。分別在每跨的1/4、1/2、3/4跨截面處設(shè)2個(gè)撓度測(cè)點(diǎn)，分別在A-A、B-B、C-C截面設(shè)17個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，動(dòng)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)選擇第三跨跨中C-C及第四跨跨中A-A截面上各三個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)進(jìn)行，如圖2，圖中“圓圈+箭頭”為撓度測(cè)點(diǎn)，實(shí)心三角形為靜應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，帶實(shí)心圓點(diǎn)三角為動(dòng)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。

圖1 測(cè)試斷面(單位：mm)

圖2 主梁測(cè)點(diǎn)布置(單位：mm)

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容與方法

橋梁荷載試驗(yàn)是一項(xiàng)復(fù)雜而細(xì)致的工作，技術(shù)含量高，涉及面廣，一般分為靜載與動(dòng)載試驗(yàn)[2]。

1.2.1 靜載試驗(yàn)內(nèi)容與方法

靜載試驗(yàn)，包括各試驗(yàn)斷面的應(yīng)力測(cè)試和加載跨L/4、L/2、3L/4位置的豎向撓度，經(jīng)過(guò)優(yōu)化合并后，所確定的加載工況以及相應(yīng)的檢驗(yàn)、觀(guān)測(cè)項(xiàng)目見(jiàn)表1，每輛試驗(yàn)車(chē)輛重380±10 kN，軸距3.85 m+1.40 m。正式試驗(yàn)前,先對(duì)結(jié)構(gòu)預(yù)加載2次,以消除橋梁的非彈性變形。每個(gè)工況加載2次，加載時(shí)間應(yīng)充分長(zhǎng)以保證橋梁完全變形，卸載以后，同樣需等結(jié)構(gòu)充分回復(fù)到初始狀態(tài)后再進(jìn)行加載。

表1 各靜力加載工況及觀(guān)測(cè)項(xiàng)目

1.2.2 動(dòng)載試驗(yàn)內(nèi)容與方法

動(dòng)力測(cè)試主要包括自振特性測(cè)試和行車(chē)激振試驗(yàn)。

自振特性測(cè)試，是研究振動(dòng)問(wèn)題的基礎(chǔ)[3]，主要測(cè)定橋梁的自振頻率、振型和阻尼比。采用脈動(dòng)法測(cè)試該橋梁的自振頻率，并采用模態(tài)分析法得到對(duì)應(yīng)頻率的振型，根據(jù)功率譜用半功率點(diǎn)帶寬法計(jì)算阻尼比。試驗(yàn)中，所記錄的信號(hào)要足夠長(zhǎng)，不飽和信號(hào)需要補(bǔ)充測(cè)試。

動(dòng)載試驗(yàn)分為無(wú)障礙行車(chē)試驗(yàn)、跳車(chē)試驗(yàn)和制動(dòng)試驗(yàn)，用一輛載重汽車(chē)作為加載荷載。受現(xiàn)場(chǎng)條件限制，無(wú)障礙行車(chē)試驗(yàn)車(chē)速為10～30 km/h，跳車(chē)試驗(yàn)行車(chē)車(chē)速5～30 km/h，制動(dòng)試驗(yàn)行車(chē)車(chē)速30 km/h。

2 有限元模型及計(jì)算方法

采用ANSYS有限元軟件建立該鋼箱梁橋的計(jì)算模型，如圖3。模型采用直接生成方法建立，其優(yōu)點(diǎn)是可以對(duì)幾何形狀及每個(gè)節(jié)點(diǎn)和單元的編號(hào)有完全的控制。根據(jù)橋梁主體是由鋼板這種薄壁件焊接而成且分析過(guò)程處于彈性階段的特點(diǎn)，選用殼單元shell63對(duì)其進(jìn)行離散, 這種單元可以承受平面內(nèi)荷載和法向荷載，能夠模擬計(jì)算實(shí)際結(jié)構(gòu)的彎曲和

薄膜應(yīng)力。為了在保證計(jì)算結(jié)果可靠性的基礎(chǔ)上降低運(yùn)算規(guī)模，有限元網(wǎng)格在加載附近和測(cè)點(diǎn)附近劃分較細(xì)，其它部分較粗[4]。橋梁上的附屬設(shè)施(包括橋面鋪裝)，由于對(duì)橋梁的剛度貢獻(xiàn)較小，故僅將其質(zhì)量折算到橋梁中，而不單獨(dú)模擬[5]。

計(jì)算內(nèi)容主要包括橋梁的自振特性和靜載工況(與靜載試驗(yàn)相對(duì)應(yīng))的計(jì)算。自振特性采用分塊Lanczos法求解器計(jì)算，具有求解精度高、速度快的特點(diǎn)。靜載工況計(jì)算由于主要研究橋梁各測(cè)試截面的撓度及應(yīng)變，因此，可將加載車(chē)輛簡(jiǎn)化為集中力荷載來(lái)計(jì)算, 集中力的大小及施加的位置根據(jù)試驗(yàn)車(chē)輛的質(zhì)量和輪位確定。

圖3 橋梁模型局部

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 靜載試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1.1 撓度結(jié)果與分析

各工況下梁體撓度實(shí)測(cè)和計(jì)算值見(jiàn)表2?？梢钥闯?，實(shí)測(cè)值和計(jì)算值較接近，第3跨梁體最大位移實(shí)測(cè)值為14.97 mm，計(jì)算值為18.50 mm，第4跨梁體最大位移實(shí)測(cè)值為5.13 mm，計(jì)算值為7.11 mm，橋跨結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度。各工況下?lián)隙冉Y(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)介于0.60～1.05之間，基本處于合理范圍內(nèi)。

表2 梁體靜撓度實(shí)測(cè)值與計(jì)算值比較 mm

3.1.2 應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果與分析

各工況下該橋測(cè)試截面應(yīng)力實(shí)測(cè)和計(jì)算值見(jiàn)表3?？梢钥闯觯瑢?shí)測(cè)值和計(jì)算值同樣較為接近，測(cè)試截面的應(yīng)力結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)介于0.76～0.95之間，處于合理范圍內(nèi)。各工況中，梁體應(yīng)變回零良好, 結(jié)構(gòu)處于彈性受力狀態(tài)。該橋測(cè)試截面應(yīng)力較小，結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度。

表3 梁體應(yīng)力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值比較

3.2 動(dòng)力試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1 自振特性結(jié)果與分析

由于結(jié)構(gòu)振動(dòng)是由若干個(gè)對(duì)應(yīng)不同頻率的主振動(dòng)迭加而成,而相應(yīng)于基頻的主振動(dòng)在結(jié)構(gòu)的合成振動(dòng)中占很大比例,是結(jié)構(gòu)振動(dòng)的主要部分。因而,通常主要以結(jié)構(gòu)第一階主振動(dòng)來(lái)評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性[6]。由表4可見(jiàn)，自振頻率的實(shí)測(cè)值和計(jì)算值基本相符。橫向一階實(shí)測(cè)頻率為2.05 Hz，計(jì)算值為1.85 Hz；豎向一階實(shí)測(cè)頻率為3.03 Hz，計(jì)算值為2.99 Hz，說(shuō)明結(jié)構(gòu)有較高的橫向和豎向剛度。實(shí)測(cè)一階阻尼比為0.029 ,結(jié)構(gòu)的阻尼系數(shù)較小, 振動(dòng)衰減較慢。

表4 橋梁自振頻率實(shí)測(cè)和計(jì)算值

3.2.2 行車(chē)試驗(yàn)結(jié)果與分析

無(wú)障礙行車(chē)工況下的實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)見(jiàn)圖4。從圖中可見(jiàn)，測(cè)試截面的無(wú)障礙行車(chē)沖擊系數(shù)介于1.00～1.08之間，截面A-A行車(chē)沖擊系數(shù)峰值為1.05，截面C-C行車(chē)沖擊系數(shù)峰值為1.08，均出現(xiàn)在30 km/h車(chē)速，說(shuō)明行車(chē)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的沖擊作用較小。

圖4 無(wú)障礙行車(chē)時(shí)各截面的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與行車(chē)速度的關(guān)系

跳車(chē)工況下的實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)見(jiàn)圖5。從圖中可見(jiàn)，跳車(chē)沖擊系數(shù)介于1.07～1.52之間，截面A-A、C-C跳車(chē)沖擊系數(shù)峰值均為1.52，但截面A-A出現(xiàn)在車(chē)速20 km/h時(shí)，C-C出現(xiàn)在車(chē)速25 km/h時(shí)。跳車(chē)沖擊系數(shù)較無(wú)障礙行車(chē)工況明顯增大，說(shuō)明當(dāng)橋面凹凸不平時(shí)，車(chē)輛對(duì)橋梁將有顯著的沖擊作用，這與文獻(xiàn)[7]的試驗(yàn)結(jié)果一致。

此外，截面A-A、截面C-C30 km/h制動(dòng)沖擊系數(shù)均為1.11，說(shuō)明在該速度下車(chē)輛的制動(dòng)作用力對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的沖擊作用不明顯。以上行車(chē)工況的沖擊系數(shù)均處于正常范圍。

圖5 跳車(chē)時(shí)各截面的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與行車(chē)速度的關(guān)系

4 結(jié)論

靜力荷載試驗(yàn)各工況下?lián)隙冉Y(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)和應(yīng)力結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)均處于合理范圍內(nèi)，該鋼箱梁橋具有足夠的剛度和強(qiáng)度，在各試驗(yàn)工況下均處于彈性工作狀態(tài)。

該鋼箱梁橋的自振頻率實(shí)測(cè)值和計(jì)算值基本相符，橫向和豎向基頻較大，具有較高的橫向和豎向剛度。

無(wú)障礙行車(chē)工況和30 km/h制動(dòng)工況對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的沖擊作用較?。惶?chē)工況沖擊系數(shù)較無(wú)障礙行車(chē)工況明顯增大。

[1] 張希黔，韋亮，張宏勝.城市鋼箱梁結(jié)構(gòu)立交橋的特點(diǎn)及安裝技術(shù)[J].施工技術(shù)，2004，33(9)

[2] 章日凱,王常青.橋梁荷載試驗(yàn)[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化,2005，(12)：69-72

[3] 李國(guó)豪.橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動(dòng)[M].修訂版.北京：中國(guó)鐵道出版社，1992:256

[4] 劉羽宇，葛玉梅，楊翊仁.跨座式輕軌鋼軌道梁的動(dòng)力特性有限元分析[J].世界橋梁，2010，(1)：41

[5] 劉羽宇，葛玉梅.尼爾森體系提籃拱橋自振特性分析[J]. 四川大學(xué)學(xué)報(bào):工程科學(xué)版, 2008, 40(增刊): 86

[6] 賈艷敏,楊艷敏.齊齊哈爾嫩江公路大橋動(dòng)載試驗(yàn)研究[J].公路交通科技,2000，17(增刊)：61

[7] 劉羽宇，葛玉梅，高玉峰,等.廈門(mén)BRT一期工程鋼箱梁橋靜動(dòng)載試驗(yàn)研究[J]. 鐵道建筑，2010，(3)：10