大跨度鋼-混疊合梁懸索橋動(dòng)載試驗(yàn)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(jiǎn)支懸索橋成橋動(dòng)載試驗(yàn)為背景，通過(guò)自然環(huán)境下的自振特性分析以及無(wú)障礙行車(chē)和剎車(chē)試驗(yàn)測(cè)試分析橋梁結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境和激勵(lì)荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)，測(cè)定橋梁關(guān)鍵截面在自然環(huán)境下動(dòng)力特性（自振頻率、阻尼比、振型）及在激勵(lì)荷載作用下沖擊效應(yīng)（動(dòng)應(yīng)變放大系數(shù)）等，以評(píng)價(jià)橋梁實(shí)際整體動(dòng)力特性。

關(guān)鍵詞：大跨度;鋼-混疊合梁懸索橋;動(dòng)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(jiǎn)支懸索橋，橋?qū)?0.5 m。加勁梁為鋼-混疊合梁，由鋼梁通過(guò)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(jì)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(mén)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(hào)岸為隧道錨，大樁號(hào)岸為重力式錨。設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路—I級(jí)，雙向四車(chē)道。

動(dòng)載試驗(yàn)主要通過(guò)脈動(dòng)試驗(yàn)、無(wú)障礙行車(chē)及剎車(chē)試驗(yàn)測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)動(dòng)荷載作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特征，動(dòng)荷載下的動(dòng)力響應(yīng)，評(píng)定實(shí)際結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能。

2 動(dòng)載試驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施

根據(jù)橋梁的最不利原則和代表性原則，該橋的試驗(yàn)截面選取主跨（4-4、6-6、8-8）截面進(jìn)行動(dòng)載試驗(yàn)。動(dòng)載試驗(yàn)截面布置如下圖1。采集橋跨結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)狀態(tài)下關(guān)鍵部位振動(dòng)加速度、特征截面動(dòng)應(yīng)變時(shí)域信號(hào)，通過(guò)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(cè)定試驗(yàn)采用的激勵(lì)方式：

（1）脈動(dòng)試驗(yàn)：在橋面無(wú)任何障礙的情況下，利用環(huán)境隨機(jī)激勵(lì)，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間脈動(dòng)響應(yīng)信號(hào)采集，分析結(jié)構(gòu)實(shí)際振型。

（2）無(wú)障礙行車(chē)激勵(lì)：在橋面無(wú)任何障礙的情況下，用4輛載重汽車(chē)（單輛重約35 t）以中央分隔帶為中心線兩邊對(duì)稱跑車(chē)，要求車(chē)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(dòng)，測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)在運(yùn)行車(chē)輛荷載作用下的動(dòng)力反應(yīng)時(shí)程曲線。

（3）無(wú)障礙剎車(chē)激勵(lì)：在橋面無(wú)任何障礙的情況下，用4輛載重汽車(chē)（單輛重約35 t）以中央分隔帶為中心線兩邊對(duì)稱跑車(chē)，要求車(chē)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(yàn)截面剎車(chē)，測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)在制動(dòng)力荷載作用下的動(dòng)力反應(yīng)時(shí)程曲線。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 橋跨結(jié)構(gòu)振型

該橋振型采集，對(duì)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(jìn)行測(cè)試，且模態(tài)測(cè)試階數(shù)要求不少于9階（主振型）。實(shí)測(cè)該橋跨豎向基頻為0.215 Hz，大于相應(yīng)的理論計(jì)算豎向基頻0.162 Hz，實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)剛度大于有限元分析剛度。實(shí)測(cè)振型與理論計(jì)算振型基本吻合，橋梁振型無(wú)異常情況。

3.2 行車(chē)動(dòng)力響應(yīng)

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

式中：fdmax—最大動(dòng)應(yīng)變幅值;

fjmax—取波形振幅中心軌跡的頂點(diǎn)值，或通過(guò)低通濾波求取;

fdmin—fdmax對(duì)應(yīng)的動(dòng)應(yīng)變波谷值;

fp-p—應(yīng)變動(dòng)態(tài)分量的峰—峰值。

沖擊系數(shù)分析時(shí)宜取同截面多個(gè)測(cè)點(diǎn)的均值，該橋同一截面擬取6個(gè)測(cè)點(diǎn)的均值。

該橋截面應(yīng)變?cè)龃笙禂?shù)最大值為1.04，6-6截面應(yīng)變?cè)龃笙禂?shù)最大值為1.02，8-8截面應(yīng)變?cè)龃笙禂?shù)最大值為1.03。按相關(guān)規(guī)定，理論計(jì)算沖擊系數(shù)μ=0.05。根據(jù)《大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法》中“車(chē)輛荷載作用下測(cè)定結(jié)構(gòu)的動(dòng)力系數(shù)（應(yīng)變?cè)龃笙禂?shù)）應(yīng)滿足（σmax-1）η≤μ”的規(guī)定進(jìn)行計(jì)算可知實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)在0.01～0.04之間，小于理論計(jì)算沖擊系數(shù)0.05。因此該橋的實(shí)測(cè)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(dòng)載測(cè)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(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)進(jìn)行觀測(cè)，得到在行車(chē)激振作用下試驗(yàn)截面的振動(dòng)速度時(shí)程曲線。

根據(jù)采集的振動(dòng)速度時(shí)程曲線擬采用波形分析法進(jìn)行阻尼比分析，多階自振信號(hào)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(jì)算阻尼參數(shù)：

實(shí)測(cè)各階振型阻尼比范圍為0.113～0.899，說(shuō)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(chē)振動(dòng)頻譜分析結(jié)果

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

4 結(jié)論

實(shí)測(cè)該橋主跨豎向基頻為0.215 Hz，大于相應(yīng)的理論計(jì)算豎向基頻0.162 Hz。無(wú)障礙行車(chē)試驗(yàn)中，激勵(lì)振動(dòng)響應(yīng)分析基頻均大于理論基頻，實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)在0.01～0.04之間，乘以相應(yīng)的動(dòng)載效率后小于理論計(jì)算沖擊系數(shù)0.05。橋梁振型無(wú)異常情況，實(shí)測(cè)振型與理論計(jì)算振型吻合，實(shí)測(cè)阻尼正常。

分析表明：該橋在無(wú)障礙行車(chē)及剎車(chē)試驗(yàn)下的各項(xiàng)動(dòng)力系數(shù)均在正常范圍內(nèi)，橋梁整體動(dòng)力特性良好，行車(chē)性能滿足規(guī)范要求。

參考文獻(xiàn)：

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