獨塔四索面斜拉橋交工檢測中動載試驗研究

何炳濤

(佛山市公路橋梁工程監測站有限公司， 廣東 佛山 528041)

獨塔四索面斜拉橋是由拉索、索塔和主梁構成的外部為靜定、內部為高次超靜定的結構，其柔性較大且具有多點支撐，對全橋整體動力響應較敏感，通過動載試驗測試其動力特性是新橋建成后交工檢測的核心內容之一，也可為今后橋梁運營和養護提供第一手資料。該文通過對佛山番海大橋進行脈動測試、無障礙行車測試和跳車試驗，采用動態及模態采集儀得到實時數據，并對相應數據進行分析。

1 工程概況

番海大橋主橋為主塔、墩和主梁固結的獨塔四索面預應力砼斜拉橋，跨徑布置為130 m+130 m。砼主梁為DP斷面預應力砼結構，主梁全長260 m。橫隔梁間距8 m，對應布置在斜拉索有索區。梁分幅設置，單幅寬度28.15 m，主梁中心線處梁高2.5 m，頂、底板平行；標準梁段橋面板厚32 cm，腹板厚1.8 m。主梁為縱、橫雙向預應力砼構造，縱向預應力按鋼束所屬梁段分為4種類型，橫向預應力僅設置在橫隔梁處。主橋最大懸臂長度122 m，除0#塊梁段外，全橋共劃分30個節段，標準梁段自重為4 200 kN。設計荷載等級為公路-Ⅰ級。動載試驗測點布置見圖1、圖2。

圖1 跑車試驗縱向測點布置(單位：m)

圖2 脈動試驗測點布置(單位：m)

2 主橋有限元模型

采用MIDAS/Civil建立該橋有限元模型，斜拉索使用桁架單元模擬，主梁、橫隔板和主塔使用梁單元模擬，斜拉索和主梁、主塔均采用剛性連接。一期恒載有主梁、橫隔板和主塔等自重，主梁、橫隔板和主塔自身重力采用實際斷面計算，容重26 kN/m3。二期恒載包括防撞欄桿、橋面鋪裝、調平層和人行道板等，按照70 kN/m計算。活載為公路-Ⅰ級。圖3為橋梁有限元模型。

圖3 番海大橋MIDAS/Civil計算模型

3 動載試驗測試結果與分析

3.1 無障礙跑車測試

采用2輛各約35 t的重車保持相同速度通過測試面，利用跨中所布置的振動測點對橋梁的受迫振動響應進行測試。采用10～60 km/h 6種行駛速度進行測試，使用數據采集儀采集各測點的動應變數據，并根據不同速度下試驗值計算沖擊系數。試驗結果見表1，部分動應變時程分析結果見圖4。

表1 無障礙行車試驗不同行車速度下沖擊系數

圖4 30 km/h行駛速度下無障礙行車試驗動應變時程分析

對試驗值和理論值進行比較，結果表明：在試驗荷載作用下，番海大橋主橋(第13跨)在10～60 km/h無障礙行車工況下的實測沖擊系數均小于理論沖擊系數(0.05)，結構沖擊效應無明顯異常。

3.2 有障礙跑車測試

圖5 20 km/h行駛速度下有障礙行車試驗動應變時程分析

表2 有障礙行車試驗不同行車速度下沖擊系數

對試驗值和理論值進行比較，結果表明：番海大橋主橋(第13跨)在10～30 km/h有障礙行車工況下的最大沖擊系數為0.142，大于無障礙行車工況下沖擊系數理論值(0.05)，說明橋面不平整或坑槽會增加汽車對橋面的沖擊效應。

3.3 脈動測試

脈動測試是通過在測試面布置超低頻、高靈敏度的拾振器，采集足夠長的時間環境激勵數據(橋址處風荷載、地脈動、水流等隨機荷載激振)并進行互譜分析，同時計算橋梁的自振特性。布置拾振器時盡量避免理論計算振動的節點位置。分析橋梁在環境激勵作用下的受迫響應信號，通過時域法中的特征系統實現算法(ERA)進行模態擬合，得到橋梁各階振型、頻率、阻尼比等參數。該橋為直橋，橋梁以豎向振動為主，全橋共布置16個測點(包括1個參考點，分5批次進行振動信號采集)。測試結果見表3，部分實測模態分析結果見圖6、圖7。

圖7 5階實測模態分析(f5=1.607 Hz)

表3 結構自振頻率及振型測試結果

圖6 4階實測模態分析(f4=1.507 Hz)

試驗結果表明：試驗橋跨的實測頻率與理論頻率接近，且大于理論頻率，說明結構實際剛度大于理論剛度。

4 結論

(1) 試驗荷載作用下，番海大橋主橋在10～60 km/h無障礙行車工況下的實測沖擊系數均小于理論沖擊系數，結構沖擊效應無明顯異常。

(2) 番海大橋主橋在10～30 km/h有障礙行車工況下的最大沖擊系數為0.142，大于無障礙行車工況下沖擊系數理論值(0.05)，橋面不平整或坑槽會增加汽車對橋面的沖擊效應。

(3) 試驗橋跨的實測頻率與理論頻率接近，且大于理論頻率，說明結構實際剛度大于理論剛度。