獨(dú)塔四索面斜拉橋交工檢測(cè)中動(dòng)載試驗(yàn)研究

何炳濤

(佛山市公路橋梁工程監(jiān)測(cè)站有限公司， 廣東 佛山 528041)

獨(dú)塔四索面斜拉橋是由拉索、索塔和主梁構(gòu)成的外部為靜定、內(nèi)部為高次超靜定的結(jié)構(gòu)，其柔性較大且具有多點(diǎn)支撐，對(duì)全橋整體動(dòng)力響應(yīng)較敏感，通過(guò)動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)試其動(dòng)力特性是新橋建成后交工檢測(cè)的核心內(nèi)容之一，也可為今后橋梁運(yùn)營(yíng)和養(yǎng)護(hù)提供第一手資料。該文通過(guò)對(duì)佛山番海大橋進(jìn)行脈動(dòng)測(cè)試、無(wú)障礙行車測(cè)試和跳車試驗(yàn)，采用動(dòng)態(tài)及模態(tài)采集儀得到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1 工程概況

番海大橋主橋?yàn)橹魉⒍蘸椭髁汗探Y(jié)的獨(dú)塔四索面預(yù)應(yīng)力砼斜拉橋，跨徑布置為130 m+130 m。砼主梁為DP斷面預(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)，主梁全長(zhǎng)260 m。橫隔梁間距8 m，對(duì)應(yīng)布置在斜拉索有索區(qū)。梁分幅設(shè)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(biāo)準(zhǔn)梁段橋面板厚32 cm，腹板厚1.8 m。主梁為縱、橫雙向預(yù)應(yīng)力砼構(gòu)造，縱向預(yù)應(yīng)力按鋼束所屬梁段分為4種類型，橫向預(yù)應(yīng)力僅設(shè)置在橫隔梁處。主橋最大懸臂長(zhǎng)度122 m，除0#塊梁段外，全橋共劃分30個(gè)節(jié)段，標(biāo)準(zhǔn)梁段自重為4 200 kN。設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路-Ⅰ級(jí)。動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 跑車試驗(yàn)縱向測(cè)點(diǎn)布置(單位：m)

圖2 脈動(dòng)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)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?jiǎn)卧M，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(shí)際斷面計(jì)算，容重26 kN/m3。二期恒載包括防撞欄桿、橋面鋪裝、調(diào)平層和人行道板等，按照70 kN/m計(jì)算。活載為公路-Ⅰ級(jí)。圖3為橋梁有限元模型。

圖3 番海大橋MIDAS/Civil計(jì)算模型

3 動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 無(wú)障礙跑車測(cè)試

采用2輛各約35 t的重車保持相同速度通過(guò)測(cè)試面，利用跨中所布置的振動(dòng)測(cè)點(diǎn)對(duì)橋梁的受迫振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行測(cè)試。采用10～60 km/h 6種行駛速度進(jìn)行測(cè)試，使用數(shù)據(jù)采集儀采集各測(cè)點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)變數(shù)據(jù)，并根據(jù)不同速度下試驗(yàn)值計(jì)算沖擊系數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，部分動(dòng)應(yīng)變時(shí)程分析結(jié)果見(jiàn)圖4。

表1 無(wú)障礙行車試驗(yàn)不同行車速度下沖擊系數(shù)

圖4 30 km/h行駛速度下無(wú)障礙行車試驗(yàn)動(dòng)應(yīng)變時(shí)程分析

對(duì)試驗(yàn)值和理論值進(jìn)行比較，結(jié)果表明：在試驗(yàn)荷載作用下，番海大橋主橋(第13跨)在10～60 km/h無(wú)障礙行車工況下的實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)均小于理論沖擊系數(shù)(0.05)，結(jié)構(gòu)沖擊效應(yīng)無(wú)明顯異常。

3.2 有障礙跑車測(cè)試

圖5 20 km/h行駛速度下有障礙行車試驗(yàn)動(dòng)應(yīng)變時(shí)程分析

表2 有障礙行車試驗(yàn)不同行車速度下沖擊系數(shù)

對(duì)試驗(yàn)值和理論值進(jìn)行比較，結(jié)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(shù)為0.142，大于無(wú)障礙行車工況下沖擊系數(shù)理論值(0.05)，說(shuō)明橋面不平整或坑槽會(huì)增加汽車對(duì)橋面的沖擊效應(yīng)。

3.3 脈動(dòng)測(cè)試

脈動(dòng)測(cè)試是通過(guò)在測(cè)試面布置超低頻、高靈敏度的拾振器，采集足夠長(zhǎng)的時(shí)間環(huán)境激勵(lì)數(shù)據(jù)(橋址處風(fēng)荷載、地脈動(dòng)、水流等隨機(jī)荷載激振)并進(jìn)行互譜分析，同時(shí)計(jì)算橋梁的自振特性。布置拾振器時(shí)盡量避免理論計(jì)算振動(dòng)的節(jié)點(diǎn)位置。分析橋梁在環(huán)境激勵(lì)作用下的受迫響應(yīng)信號(hào)，通過(guò)時(shí)域法中的特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)算法(ERA)進(jìn)行模態(tài)擬合，得到橋梁各階振型、頻率、阻尼比等參數(shù)。該橋?yàn)橹睒颍瑯蛄阂载Q向振動(dòng)為主，全橋共布置16個(gè)測(cè)點(diǎn)(包括1個(gè)參考點(diǎn)，分5批次進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)采集)。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3，部分實(shí)測(cè)模態(tài)分析結(jié)果見(jiàn)圖6、圖7。

圖7 5階實(shí)測(cè)模態(tài)分析(f5=1.607 Hz)

表3 結(jié)構(gòu)自振頻率及振型測(cè)試結(jié)果

圖6 4階實(shí)測(cè)模態(tài)分析(f4=1.507 Hz)

試驗(yàn)結(jié)果表明：試驗(yàn)橋跨的實(shí)測(cè)頻率與理論頻率接近，且大于理論頻率，說(shuō)明結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度大于理論剛度。

4 結(jié)論

(1) 試驗(yàn)荷載作用下，番海大橋主橋在10～60 km/h無(wú)障礙行車工況下的實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)均小于理論沖擊系數(shù)，結(jié)構(gòu)沖擊效應(yīng)無(wú)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(shù)為0.142，大于無(wú)障礙行車工況下沖擊系數(shù)理論值(0.05)，橋面不平整或坑槽會(huì)增加汽車對(duì)橋面的沖擊效應(yīng)。

(3) 試驗(yàn)橋跨的實(shí)測(cè)頻率與理論頻率接近，且大于理論頻率，說(shuō)明結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度大于理論剛度。