大跨度鋼-混疊合梁懸索橋動載試驗研究

于磊 羅浩 沈興彥

摘 要：本文以單跨550 m的鋼-混疊合梁簡支懸索橋成橋動載試驗為背景，通過自然環(huán)境下的自振特性分析以及無障礙行車和剎車試驗測試分析橋梁結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境和激勵荷載作用下的動力響應(yīng)，測定橋梁關(guān)鍵截面在自然環(huán)境下動力特性（自振頻率、阻尼比、振型）及在激勵荷載作用下沖擊效應(yīng)（動應(yīng)變放大系數(shù)）等，以評價橋梁實際整體動力特性。

關(guān)鍵詞：大跨度;鋼-混疊合梁懸索橋;動力特性;沖擊效應(yīng)

1 工程概述

該橋位于貴州省興義市，是跨越馬嶺河大峽谷一座高速公路橋梁。該橋采用單跨550 m的鋼-混疊合梁簡支懸索橋，橋?qū)?0.5 m。加勁梁為鋼-混疊合梁，由鋼梁通過剪力釘與混凝土橋面板結(jié)合而成，加勁梁全寬30.5 m，中心線處梁高3.92 m。主纜成橋狀態(tài)計算跨度為（130+550+210）m，主跨垂跨比為1/10。主纜采用預(yù)制平行鋼絲束股（PPWS），主跨兩根主纜的中心間距25.5 m。橋塔是由塔柱、橫梁組成的門式框架結(jié)構(gòu)。塔柱為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，橫梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。小樁號岸為隧道錨，大樁號岸為重力式錨。設(shè)計荷載等級為公路—I級，雙向四車道。

動載試驗主要通過脈動試驗、無障礙行車及剎車試驗測定橋跨結(jié)構(gòu)在試驗動荷載作用下結(jié)構(gòu)的動力特征，動荷載下的動力響應(yīng)，評定實際結(jié)構(gòu)的動力性能。

2 動載試驗設(shè)計與實施

根據(jù)橋梁的最不利原則和代表性原則，該橋的試驗截面選取主跨（4-4、6-6、8-8）截面進行動載試驗。動載試驗截面布置如下圖1。采集橋跨結(jié)構(gòu)自由振動狀態(tài)下關(guān)鍵部位振動加速度、特征截面動應(yīng)變時域信號，通過頻譜分析等方法得到橋跨結(jié)構(gòu)自振特性參數(shù)。

自振特性測定試驗采用的激勵方式：

（1）脈動試驗：在橋面無任何障礙的情況下，利用環(huán)境隨機激勵，通過長時間脈動響應(yīng)信號采集，分析結(jié)構(gòu)實際振型。

（2）無障礙行車激勵：在橋面無任何障礙的情況下，用4輛載重汽車（單輛重約35 t）以中央分隔帶為中心線兩邊對稱跑車，要求車輛盡可能保持同速、同步行駛，以20 km/h、30 km/h、40 km/h、50 km/h的速度勻速行駛使橋梁產(chǎn)生受迫振動，測定橋跨結(jié)構(gòu)在運行車輛荷載作用下的動力反應(yīng)時程曲線。

（3）無障礙剎車激勵：在橋面無任何障礙的情況下，用4輛載重汽車（單輛重約35 t）以中央分隔帶為中心線兩邊對稱跑車，要求車輛盡可能保持同速、同步行駛，以20 km/h、30 km/h勻速跑至試驗截面剎車，測定橋跨結(jié)構(gòu)在制動力荷載作用下的動力反應(yīng)時程曲線。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 橋跨結(jié)構(gòu)振型

該橋振型采集，對該橋豎平面內(nèi)彎曲、橫向彎曲自振特性以及扭轉(zhuǎn)自振特性進行測試，且模態(tài)測試階數(shù)要求不少于9階（主振型）。實測該橋跨豎向基頻為0.215 Hz，大于相應(yīng)的理論計算豎向基頻0.162 Hz，實際橋梁結(jié)構(gòu)剛度大于有限元分析剛度。實測振型與理論計算振型基本吻合，橋梁振型無異常情況。

3.2 行車動力響應(yīng)

根據(jù)《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》（JTG/T J21-01-2015）中6.6.5節(jié)要求，對于該特大跨徑橋梁，本次擬采用動應(yīng)變時程曲線計算沖擊系數(shù)。沖擊系數(shù)的計算方式：

式中：fdmax—最大動應(yīng)變幅值;

fjmax—取波形振幅中心軌跡的頂點值，或通過低通濾波求取;

fdmin—fdmax對應(yīng)的動應(yīng)變波谷值;

fp-p—應(yīng)變動態(tài)分量的峰—峰值。

沖擊系數(shù)分析時宜取同截面多個測點的均值，該橋同一截面擬取6個測點的均值。

該橋截面應(yīng)變增大系數(shù)最大值為1.04，6-6截面應(yīng)變增大系數(shù)最大值為1.02，8-8截面應(yīng)變增大系數(shù)最大值為1.03。按相關(guān)規(guī)定，理論計算沖擊系數(shù)μ=0.05。根據(jù)《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》中“車輛荷載作用下測定結(jié)構(gòu)的動力系數(shù)（應(yīng)變增大系數(shù)）應(yīng)滿足（σmax-1）η≤μ”的規(guī)定進行計算可知實測沖擊系數(shù)在0.01～0.04之間，小于理論計算沖擊系數(shù)0.05。因此該橋的實測沖擊系數(shù)滿足規(guī)范要求。

3.3 阻尼比分析結(jié)果

將拾振器安裝在各動載測試截面的橋面鋪裝上，用橡皮泥將拾振器底座與橋面粘貼在一起，用動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)進行觀測，得到在行車激振作用下試驗截面的振動速度時程曲線。

根據(jù)采集的振動速度時程曲線擬采用波形分析法進行阻尼比分析，多階自振信號疊加的波形通常首先分離為單一頻率的自振頻率，按下式計算阻尼參數(shù)：

實測各階振型阻尼比范圍為0.113～0.899，說明結(jié)構(gòu)的阻尼系數(shù)較小，衰減較慢，這與結(jié)構(gòu)的形式是一致的。

3.4 截面行車振動頻譜分析結(jié)果

從上表分析結(jié)果可以看出，行車振動響應(yīng)分析基頻均大于理論基頻，且與脈動分析基頻相近。

4 結(jié)論

實測該橋主跨豎向基頻為0.215 Hz，大于相應(yīng)的理論計算豎向基頻0.162 Hz。無障礙行車試驗中，激勵振動響應(yīng)分析基頻均大于理論基頻，實測沖擊系數(shù)在0.01～0.04之間，乘以相應(yīng)的動載效率后小于理論計算沖擊系數(shù)0.05。橋梁振型無異常情況，實測振型與理論計算振型吻合，實測阻尼正常。

分析表明：該橋在無障礙行車及剎車試驗下的各項動力系數(shù)均在正常范圍內(nèi)，橋梁整體動力特性良好，行車性能滿足規(guī)范要求。

參考文獻：

[1]交通部公路科學(xué)研究所.大跨度混凝土橋梁的試驗方法[M].北京：人民交通出版社，1982.