超大跨度自錨式懸索橋的動載試驗(yàn)研究

龔彥銘

(重慶市軌道交通(集團(tuán))有限公司，重慶 400000)

1 工程概況

鵝公巖軌道專用橋是重慶軌道交通環(huán)線二期工程重要的過江通道，距鵝公巖公路橋僅有45 m，是軌道環(huán)線連接主城南岸區(qū)和九龍坡區(qū)標(biāo)志性工程。鵝公巖軌道專用橋?yàn)橹骺?00 m的雙塔雙索面自錨式懸索橋，全橋長1 650.5 m。主橋跨徑布置為50 m+210 m+600 m+210 m+50 m，長1120 m。

主塔采用矩形雙柱空心箱型結(jié)構(gòu)，東、西塔高分別為163.9 m 和157.9 m，設(shè)置上、中、下3 道橫梁；主梁為鋼箱結(jié)構(gòu)，梁高4.5 m，梁寬22 m，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段質(zhì)量為408.6 t，共65 個(gè)節(jié)段；全橋共設(shè)兩根主纜，每根主纜索由92 股φ5.3 mm×127絲平行鋼絲構(gòu)成。

2 試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

對體系轉(zhuǎn)換后成橋狀態(tài)下的主橋部分進(jìn)行動力荷載試驗(yàn)，試驗(yàn)的主要目的：在動載試驗(yàn)作用下，測定橋跨結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型及阻尼比，驗(yàn)證大橋的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果；檢驗(yàn)橋梁在滿載列車不同運(yùn)行速度條件下的實(shí)際工作狀態(tài)，測量在列車活載作用下橋跨結(jié)構(gòu)構(gòu)件控制截面的動應(yīng)變，分析評價(jià)橋梁的動力系數(shù)和橋梁的剛度是否滿足有關(guān)要求，為竣工驗(yàn)收提供重要的技術(shù)數(shù)據(jù)，為橋梁的運(yùn)營及養(yǎng)護(hù)提供科學(xué)依據(jù)和指導(dǎo)[3-4]，為同類橋梁的施工、養(yǎng)護(hù)積累經(jīng)驗(yàn)。

3 動力加載試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

3.1 動力荷載試驗(yàn)內(nèi)容及其作用方式

1）動力特性試驗(yàn)：在橋面無交通荷載以及橋址附近無規(guī)則振源的情況下，測定橋跨結(jié)構(gòu)由于橋址處風(fēng)荷載、地脈動和水流等隨機(jī)荷載激勵而引起的橋跨結(jié)構(gòu)微幅振動響應(yīng)，獲得橋梁結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型和阻尼比。

2）無障礙行車試驗(yàn)：在橋面無任何障礙的情況下，采用兩列山地城市As 型（7 節(jié)編組）滿載列車分別以不同的速度（最大行駛速度為80 km/h）同向、對稱、勻速駛過橋跨結(jié)構(gòu)，測定橋跨結(jié)構(gòu)在運(yùn)行列車荷載作用下的動力反應(yīng)。

3） 制動試驗(yàn)：采用兩列山地城市As 型滿載列車分別以30 km/h、50 km/h（根據(jù)荷載試驗(yàn)規(guī)范要求，制動試驗(yàn)的車速一般不大于50 km/h）的速度勻速行駛至測試斷面時(shí)實(shí)施緊急制動，使其產(chǎn)生較大的制動力并對橋梁形成一定的沖擊作用，以測得在制動條件下的動力響應(yīng)。

3.2 測試項(xiàng)目及測試方法

1）固有頻率、振型和阻尼比：通過拾振傳感器、信號采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)拾取并記錄橋梁結(jié)構(gòu)的隨機(jī)振動響應(yīng)[5]。

2）動應(yīng)變：采用應(yīng)變片及動態(tài)采集與分析系統(tǒng)進(jìn)行測試，同時(shí)在東岸上下游阻尼器處布置位移傳感，讀取在不同工況下制動試驗(yàn)中阻尼器的縱向位移。

3.3 測試斷面與測點(diǎn)布置

1）動力特性試驗(yàn)：縱橋向分別在錨跨段L/2 截面、邊跨L/4 截面、中跨L/8 截面處布置加速度拾振器（L 為主橋跨徑）。橫橋向在每一截面的橋面上下游兩側(cè)布置豎向和縱向拾振器。測點(diǎn)布置如圖1、圖2 所示。

圖1 縱梁測點(diǎn)立面、平面布置示意圖

圖2 縱梁測點(diǎn)橫斷面布置示意圖（左側(cè)為下游）

2）無障礙行車試驗(yàn)：分別在中跨A 截面（跨中）、B 截面（距東塔160 m 處）布置動應(yīng)變測點(diǎn)，動應(yīng)變測點(diǎn)布置如圖3、圖4 所示。

圖4 A、B截面動應(yīng)變測點(diǎn)布置示意圖（單位：cm）

3）制動試驗(yàn)：本次試驗(yàn)用2 列滿載列車分別以30 km/h 與50 km/h 的速度勻速行駛至跨中與L/4 截面時(shí)實(shí)施緊急制動，列車制動位置及阻尼器位移測點(diǎn)布置如圖3、圖5 所示。

圖3 主梁縱向動應(yīng)變測試截面布置示意圖（單位：m）

圖5 阻尼器縱向位移測點(diǎn)布置示意圖

3.4 動力特性理論分析

通過Midas Civil 建立空間有限元計(jì)算模型，如圖6 所示，對鵝公巖軌道專用橋主橋進(jìn)行特征值分析，考慮自重、二期恒載及相關(guān)橫隔板的質(zhì)量矩陣，提取前11 階的振型及振動頻率數(shù)據(jù)，如表1 所示。

表1 主橋動力特性計(jì)算值及振型圖

圖6 主橋空間有限元計(jì)算模型

4 動載試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 動力特性測試結(jié)果分析

通過對鵝公巖軌道專用橋主橋的模態(tài)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域及頻域分析，得出鵝公巖軌道專用橋主橋的自振特性參數(shù)如表2 所示，結(jié)構(gòu)頻譜分析圖形如圖7、圖8 所示，主橋部分實(shí)測振型如圖9、圖10 所示。

圖7 橫向頻譜分析示意圖

圖8 縱向頻譜分析示意圖

圖9 主橋?qū)崪y一階豎彎振型圖

圖10 主橋?qū)崪y一階橫彎振型圖

表2 主橋橋跨結(jié)構(gòu)自振特性參數(shù)測試結(jié)果

從分析結(jié)果可以看出，鵝公巖軌道專用橋主橋的實(shí)測豎向基頻為0.166 Hz，振型主梁面內(nèi)一階反對稱豎向彎曲振動，阻尼比為0.067，計(jì)算頻率為0.161 Hz；實(shí)測橫向基頻為0.181 Hz，振型為面外一階對稱橫彎彎曲振動，阻尼比為0.022，計(jì)算頻率為0.150 Hz；豎向、橫向?qū)崪y值均大于計(jì)算值，表明橋梁豎、橫向動力剛度滿足要求。

阻尼是振動系統(tǒng)在振動過程中由于外界作用或系統(tǒng)本身固有的原因引起的振動幅度逐漸下降的特性，實(shí)際結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的阻尼比較復(fù)雜，包括由于材料分子之間的摩擦引起的內(nèi)阻尼、構(gòu)件之間支承與連接部位的摩擦、振動時(shí)與周圍介質(zhì)(大氣等)的相互作用引起的能量耗散等,實(shí)測本橋阻尼比在合理范圍之內(nèi)。

4.2 動力響應(yīng)測試結(jié)果

4.2.1 無障礙行車試驗(yàn)跨中截面動應(yīng)變測試結(jié)果

跨中截面動應(yīng)變（測點(diǎn)1、測點(diǎn)3、測點(diǎn)5）峰峰值及動力系數(shù)測試結(jié)果如表3 所示，各列車激勵下動應(yīng)變部分時(shí)域信號曲線如圖11、圖12 所示。

圖11 20 km/ h 跨中截面各測點(diǎn)動應(yīng)變時(shí)域信號

圖12 60 km/ h 跨中截面各測點(diǎn)動應(yīng)變時(shí)域信號

表3 跨中截面應(yīng)變動力系數(shù)測試結(jié)果

由上述的跨中截面動應(yīng)變測試結(jié)果表明：鵝公巖軌道專用橋主橋在以不同車速行車時(shí)，跨中截面動應(yīng)變峰峰值在129.408 με~139.100 με，動力系數(shù)在1.002~1.022，平均動力系數(shù)為1.010，實(shí)測動力系數(shù)小于相應(yīng)理論計(jì)算值（按規(guī)范計(jì)算的動力系數(shù)為1.035），滿足規(guī)范要求。從測試結(jié)果來看，跨中截面在車速20~60 km/h 時(shí)動力系數(shù)較大。

4.2.2 無障礙行車試驗(yàn)L/4 截面動應(yīng)變測試結(jié)果

L/4 截面動應(yīng)變（測點(diǎn)1、測點(diǎn)3、測點(diǎn)5）峰峰值及動力系數(shù)測試結(jié)果如表4 所示，各列車激勵下動應(yīng)變部分時(shí)域信號曲線如圖13 所示。

表4 L/ 4 截面應(yīng)變動力系數(shù)測試結(jié)果

圖13 20 km/ h 時(shí)L/ 4 截面各測點(diǎn)動應(yīng)變時(shí)域信號

由上述的L/4 截面動應(yīng)變測試結(jié)果表明：鵝公巖軌道專用橋主橋在以不同車速跑車時(shí)，L/4 截面動應(yīng)變峰峰值在171.495 με~194.572 με，動力系數(shù)在1.001~1.011，平均動力系數(shù)為1.003，實(shí)測動力系數(shù)小于相應(yīng)理論計(jì)算值（按規(guī)范計(jì)算的動力系數(shù)為1.035），滿足規(guī)范要求。

從測試結(jié)果來看，L/4 截面在車速20 km/h 時(shí)動力系數(shù)較大，動力系數(shù)總體小于跨中截面?？傮w而言，動力系數(shù)與車速相關(guān)性不明顯。

4.2.3 制動試驗(yàn)測試結(jié)果

本次試驗(yàn)用兩列滿載列車分別以30 km/h（自西向東）、50 km/h（自西向東）的速度勻速同向行駛至測試斷面（跨中和L/4 截面）時(shí)實(shí)施緊急制動，使其產(chǎn)生較大的制動力并對橋梁形成一定的沖擊作用，測得在制動條件下的部分動應(yīng)變時(shí)域信號曲線如圖14、圖15 所示，測得在制動條件下的加速度時(shí)域曲線如圖16~圖19 所示。測得的東塔側(cè)加勁梁底阻尼器的縱向位移見表5。

表5 制動試驗(yàn)的阻尼器位移量測試結(jié)果

圖14 30 km/ h 制動跨中截面動應(yīng)變時(shí)域信號

圖15 50 km/ h 制動L/ 4 截面動應(yīng)變時(shí)域信號

圖16 30 km/ h 跨中制動加速度時(shí)域及頻域信號

圖19 50 km/ h 制動L/ 4 截面加速度時(shí)域及頻域信號

4.3 試驗(yàn)前后主橋外觀檢查對比

通過對試驗(yàn)前后主橋鋼箱梁、纜索系統(tǒng)、索鞍、主塔、支座等外觀檢查，未發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖17 50 km/ h 跨中制動加速度時(shí)域及頻域信號

圖18 30 km/ h 制動L/ 4 截面加速度時(shí)域及頻域信號

5 結(jié)論

通過對鵝公巖軌道專用橋主橋進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)B(tài)測試獲得了結(jié)構(gòu)的整體振動特性參數(shù)，通過對橋梁結(jié)構(gòu)及列車在多工況行車激勵下的動力響應(yīng)測試，獲得了主橋橋跨結(jié)構(gòu)控制部位動應(yīng)變、動力系數(shù)、加速度時(shí)域曲線，同時(shí)對主橋的振動特性進(jìn)行了有限元分析并與試驗(yàn)結(jié)果比較，并結(jié)合試驗(yàn)前后主橋各系統(tǒng)的外觀檢查，得出：

1）實(shí)測得到的主橋各階固有振動頻率均比相應(yīng)模態(tài)的理論計(jì)算值大，表明橋梁實(shí)際豎、橫向整體剛度優(yōu)于理論剛度。

2）主橋各階振型阻尼比為0.005～0.067，為小阻尼振動，實(shí)測阻尼比正常。

3）主橋L/4 截面在以不同車速跑車時(shí)，動力系數(shù)在1.001~1.011，平均動力系數(shù)為1.003；跨中截面在以不同車速跑車時(shí)，動力系數(shù)在1.002~1.022，平均動力系數(shù)為1.010，實(shí)測動力系數(shù)均小于相應(yīng)理論計(jì)算值（1.035），實(shí)測橋梁動力系數(shù)正常。

4）行車試驗(yàn)及制動試驗(yàn)結(jié)果表明，主橋動力響應(yīng)正常。