銀洲湖特大橋動載試驗有限元數(shù)值分析與實測研究

王子成

(廣東省交通運輸建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心,廣東 廣州 510000)

0 引 言

為有效保障橋梁的安全性能和使用壽命,橋梁在建成之后需要進(jìn)行一系列的試驗研究,其中包括脈動試驗、有障礙行車試驗和無障礙行車試驗等[1],以檢驗橋梁的正常使用情況及其對交通運輸需求的適應(yīng)性。[2-5]

1 工程概況

中山—開平高速公路江門段銀洲湖特大橋跨越銀洲湖黃金水道,橋梁全長906 m,主航道橋是橋跨布置為(56.8+131.2+530+131.2+56.8)m的半漂浮體系混合式PK箱組合梁斜拉橋,主橋橋面凈寬2×15.25 m。橋梁跨度較大,兩主塔間主梁采用組合梁,中心梁高為3 500 mm,主梁采用PK型分離雙箱組合梁形式,結(jié)構(gòu)形式為半封閉箱梁,混凝土橋面板通過剪力釘與鋼梁共同受力,鋼-混結(jié)合部位距離主塔8.75 m,而邊跨則采用現(xiàn)澆混凝土梁。銀洲湖特大橋主航道橋橋型布置圖如圖1所示。

圖1 銀洲湖特大橋主航道橋橋型布置圖(單位:cm)

2 橋梁結(jié)構(gòu)特征分析

混凝土箱梁采用PK斷面,心線處梁高3.5 m,全寬36.4 m,外側(cè)為鋼結(jié)構(gòu)風(fēng)嘴與中跨組合梁風(fēng)嘴對接。箱梁橫橋向底板水平,頂面設(shè)2%雙向橫坡,斜拉索在外腹板外側(cè)采用鋼錨箱形式錨固。混凝土箱梁在過渡墩與輔助墩之間以及輔助墩向主塔方向的4個節(jié)段內(nèi)設(shè)置壓重,壓重采用容重為50 kN/m3的鐵砂混凝土。

3號索塔和4號索塔構(gòu)造相同。索塔總高度為203.619 m。下、中、上塔柱為鋼筋混凝土構(gòu)件結(jié)構(gòu)。主塔橫截面為多邊形變截面形式,下塔柱塔底部為六邊形空心截面,橫橋向外輪廓長為8.50 m,橫橋向外側(cè)面斜率為1/8.93、內(nèi)側(cè)面斜率為1/5.453,順橋向外輪廓長為11.50 m,順橋向側(cè)向斜率為1/61.686,中塔柱為五邊形空心截面,由下塔柱線性漸變而來,橫橋向外輪廓長為5.60 m,橫橋向外側(cè)面斜率為1/8.93、內(nèi)側(cè)面斜率為1/5.453,順橋向外輪廓長為7.80 m,順橋向側(cè)向斜率為1/61.686,上塔柱為等截面五邊形空心截面,外輪廓尺寸為7 m(順橋向)×6.2 m(橫橋向)。上塔柱標(biāo)準(zhǔn)壁橫橋向厚0.9 m,順橋向厚1.1 m;中塔柱壁橫橋向厚1.1 m,順橋向厚1.1 m;下塔柱斷面為單箱雙室,塔壁橫橋向厚1.3 m,順橋向厚1.3 m,中間隔板厚為1.0 m。

索塔承臺橫橋向尺寸為60.1 m,順橋向尺寸為22.4 m,承臺厚7.0 m,承臺采用C30混凝土封底,厚2.0 m。承臺采用整體式大直徑群樁基礎(chǔ),樁基數(shù)量為36根,樁基直徑為2.8 m,均為嵌巖樁,主3號墩樁長53 m,持力層為中風(fēng)化花崗巖層,主4號墩樁長67 m,持力層為中風(fēng)化花崗巖層。

3 橋梁現(xiàn)場動載試驗設(shè)計

為測試橋梁結(jié)構(gòu)的動力學(xué)響應(yīng)參數(shù)和承載性能,在現(xiàn)場試驗中主要設(shè)置3種動力學(xué)試驗,分別是無障礙行車試驗、有障礙行車試驗和脈動試驗。橋梁無障礙行車試驗?zāi)康氖窃u估橋梁對正常交通負(fù)荷的承載能力和穩(wěn)定性,測量車輛在橋梁上的行駛速度、加速度,橋梁振動及結(jié)構(gòu)動應(yīng)變情況,以評估橋梁的結(jié)構(gòu)強度和剛度,并確保橋梁能夠安全地承載正常交通;橋梁有障礙行車試驗是在橋梁設(shè)置一系列的障礙物,如人行道、減速帶、隆起或凹陷的路面等,來測試車輛在橋梁上的行駛速度、加速度,橋梁振動及結(jié)構(gòu)動應(yīng)變情況,模擬車輛在真實道路情況下的行駛工況,本研究在主跨跨中截面處橋面上設(shè)置高7 cm的弓形板作為障礙物以模擬橋面不平整狀態(tài),通過測試車輛在通過這些障礙物時的振動、扭轉(zhuǎn)和失穩(wěn)情況,評估橋梁的動態(tài)響應(yīng)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,以確保橋梁在實際道路條件下的安全性能;橋梁脈動試驗主要是指橋梁在無車輛通過時由風(fēng)荷載、地脈動、水流等隨機激勵引起的微幅振動或變形,通過在橋梁上安裝傳感器測定結(jié)構(gòu)的相關(guān)動力特性(如固有頻率、振型、阻尼比等),以分析橋梁結(jié)構(gòu)在車輛荷載下的動態(tài)響應(yīng)特性,通過脈動試驗,可以評估橋梁的疲勞性能,識別潛在的結(jié)構(gòu)問題,指導(dǎo)橋梁的設(shè)計和改進(jìn)。無障礙行車試驗、有障礙行車試驗采用的載重汽車自重為350 kN,數(shù)量為2臺,行車速度為10～60 km/h,通過動態(tài)應(yīng)變儀測量主跨跨中主梁截面的動應(yīng)變,由此分析得到相應(yīng)的沖擊系數(shù)。行車試驗測點布置如圖2所示。

圖2 行車試驗測點布置圖(單位:cm)

根據(jù)結(jié)構(gòu)理論振型特點,在橋梁主梁邊跨二分點、次邊跨四分點、主跨八分點及兩個主塔塔頂布置測點。脈動試驗于2022年12月24日—2022年12月25日進(jìn)行,每次采樣時間為30 min。

4 橋梁現(xiàn)場動載試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對比分析

4.1 橋梁現(xiàn)場脈動試驗結(jié)果分析

根據(jù)大橋的結(jié)構(gòu)特征及材料屬性,采用DASP動力模態(tài)分析軟件進(jìn)行橋梁前九階的自振模態(tài)分析,限于篇幅,研究列出了橋梁主梁一階自振模態(tài)計算結(jié)果,如圖3所示;橋梁現(xiàn)場脈動試驗主塔測點實測自譜圖及互譜圖,如圖4所示。根據(jù)測試的自振模態(tài)、自譜圖和互譜圖計算結(jié)構(gòu)前三階的頻率,結(jié)果見表1。

表1 結(jié)構(gòu)部分實測模態(tài)參數(shù)表

圖3 橋梁主梁一階自振模態(tài)計算結(jié)果

圖4 橋梁主塔測點自譜圖及橫向測點互譜圖

從表1可以看出,主梁自振模態(tài)階數(shù)越大,其數(shù)值模擬模態(tài)頻率和實測模態(tài)頻率均越大,總體而言,數(shù)值模擬得到的主梁前3階模態(tài)頻率均小于實測模態(tài)頻率,且自振模態(tài)階數(shù)越大,兩者的差值也越大;主梁實測阻尼比變化范圍為0.119%～0.869%,小于1%,表明斜拉橋主梁在受到無規(guī)則的風(fēng)荷載、地脈動等隨機荷載作用時,其振動幅度相對較小,結(jié)構(gòu)的阻尼比較低。

4.2 橋梁現(xiàn)場行車試驗結(jié)果分析

行車試驗于2022年12月25日15時至18時進(jìn)行。由于每次測試時間均較短,可以忽略溫度變化對測試結(jié)果的影響。限于篇幅,圖5給出了行車試驗主跨跨中截面部分實測動應(yīng)變時程曲線。從圖5中可以看出,不同行車速度條件下,有障礙行車試驗動應(yīng)變曲線和無障礙行車試驗應(yīng)變區(qū)曲線的變化規(guī)律相同,均呈現(xiàn)明顯的單峰特性,且動應(yīng)變峰值出現(xiàn)的時間不一致。

圖5 橋梁無障礙行車試驗和有障礙行車試驗動應(yīng)變實測結(jié)果

根據(jù)以上曲線,可獲得該截面相應(yīng)的沖擊系數(shù),沖擊系數(shù)μ可根據(jù)控制截面測點在行車試驗時記錄的動應(yīng)變曲線進(jìn)行分析處理而得。

沖擊系數(shù)計算結(jié)果見表2。

表2 主跨跨中行車試驗沖擊系數(shù)測定值

從表2可以看出,當(dāng)兩輛重約350 kN的車輛以10～60 km/h車速駛過平整橋面時,該截面實測沖擊系數(shù)為0.017～0.034。而兩輛重約350 kN的重車以5～20 km/h車速駛過有障礙橋面時,該截面實測沖擊系數(shù)為0.092～0.138。從實測結(jié)果可以看出,在同一車速下,有障礙行車比無障礙行車試驗測的沖擊系數(shù)要大得多,說明橋面不平整對結(jié)構(gòu)狀況影響較為不利。因此,在橋梁運營中保持橋面平整順暢是十分必要的。鑒于該橋橋型特殊,結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,建議營運期間加強結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和定期檢查。

5 結(jié) 論

(1) 斜拉橋主梁在受到無規(guī)則的風(fēng)荷載、地脈動等隨機荷載作用時,其振動幅度相對較小,結(jié)構(gòu)的阻尼比較低。

(2) 不同行車速度下,有障礙行車試驗動應(yīng)變曲線和無障礙行車試驗應(yīng)變區(qū)曲線的變化規(guī)律相同,均呈現(xiàn)明顯的單峰特性,且動應(yīng)變峰值出現(xiàn)的時間不一致。

(3) 在同一車速下,有障礙行車比無障礙行車試驗測的沖擊系數(shù)要大得多,說明橋面不平整對結(jié)構(gòu)狀況影響較為不利,建議營運期間加強結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和定期檢查。