雙塔雙索面半漂浮體系大跨度斜拉橋結(jié)構(gòu)振動特性試驗研究*

宋 超

(中交路橋建設(shè)有限公司，北京 100027)

1 工程概況

某跨江大橋采用3 000t級通航標準，通航凈高30.5m，大橋全長3 030m，其跨徑組合為(7×40+6×40+6×60)m+(86+229+636+229+86)m+(6×60+6×40+7×40)m(見圖1)。主橋為主跨636m的雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，邊跨設(shè)置輔助墩，其跨徑布置為(86+229+636+229+86)m=1 266m，結(jié)構(gòu)體系為五跨連續(xù)半漂浮體系。主梁為流線型扁平鋼箱梁，中心線處內(nèi)輪廓梁高3.5m，鋼箱梁全寬33.5m，標準梁段16m，重2 750kN。索塔區(qū)梁段數(shù)量5個，最大重260t，斜拉索1對。主跨合龍梁段10m，吊重 1 700kN， 過渡墩、輔助墩異形梁段最大吊重3 050kN。

圖1 橋梁現(xiàn)場實景

索塔采用“H”形，索塔總高度194.6m，底部設(shè)置2.5m高塔座。索塔截面為箱形變截面，塔底截面尺寸為10m×7m，塔頂截面尺寸為7m×5m，塔壁厚度橫橋向均為1m，順橋向下、中塔柱為1m，上塔柱為1.2m。索塔設(shè)置2道橫梁，下橫梁尺寸為(9.4～9.56)×7m,離塔座18.9m。上橫梁尺寸為7m×6m，離塔座129.3m。斜拉索在梁端采用鋼錨梁錨固結(jié)構(gòu)，斜拉索索塔錨固區(qū)內(nèi)環(huán)向布置預(yù)應(yīng)力。

2 鋼箱梁振動測試試驗

2.1 鋼箱梁振動特性測試測點

為識別主橋的固有振動特性，在主橋特定位置布置全橋測試基準參考點?；鶞蕝⒖键c的布置原則為：避開理論計算模態(tài)中的振幅為0的測點。

有限元計算結(jié)果表明，前15階模態(tài)振型中，邊跨(19～20號墩)在第15階模態(tài)振型中的形狀為半個正弦波，故該跨按2等分進行布點；次邊跨(20～21號墩)在第15階模態(tài)振型中的形狀近似為1個正弦波，故該跨按4等分進行布點；主跨在第15階模態(tài)振型中的形狀近似為3個正弦波，故該跨按12等分進行布點。因此，測量截面共23個。

根據(jù)理論振型中振動較大的點，確定現(xiàn)場實際布置測點，振動測點總體布置如圖2所示，共布置23個截面，均在上游和下游側(cè)各布置1個豎向測點，并在上游側(cè)布置1個橫橋向測點，用以拾取鋼箱梁豎向和橫向速度響應(yīng)，橋面共23×3=69個測點。

圖2 斜拉橋鋼箱梁振動特性測試截面及截面測點布置示意(單位：cm)

鋼箱梁梁端縱橋向位移測試斷面布置于主橋鋼箱梁兩端(過渡墩位置)，各布置1個測點，共2個測點。

2.2 主塔振動特性測試測點

每個主塔的上、下游塔頂和塔上部橫梁位置(2個截面)分別布置縱橋向測點和橫橋向測點，2個主塔共16個測點(見圖3)。

圖3 斜拉橋主塔振動特性測點布置示意

2.3 理論分析模型

采用橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件MIDAS/Civil，建立主橋空間桿系有限元模型(見圖4)，共326個梁單元、152個拉索單元、651個結(jié)點。其中，主梁及塔柱、墩身用單梁模擬，斜拉索塔端和梁端錨點按設(shè)計坐標建立，分別與主梁和主塔在錨點對應(yīng)的節(jié)點處剛性連接。

圖4 全橋MIDAS模型

鋼箱梁邊界條件為：在主塔下橫梁處設(shè)豎向支座和橫向抗風支座，在輔助墩和過渡墩墩頂設(shè)置豎向支座；輔助墩和過渡墩墩底固結(jié)，塔底彈性模擬，其剛度矩陣為：

2.4 測試內(nèi)容與分析方法

2.4.1測試內(nèi)容

振動特性試驗測試的主要項目為橋跨結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型和阻尼比。通過測量橋塔和鋼箱梁的環(huán)境振動響應(yīng)，識別橋塔和橋面振動的前面若干階振動頻率、振型和阻尼比。

2.4.2測試斷面及測點布置

振動特性試驗的測試斷面布置在橋跨四分點，共計25個測試斷面，分上、下游2條測線布置測點(見圖5)。

圖5 振動特性試驗測點布置示意

2.4.3測試與分析方法

試驗前，對測試系統(tǒng)、拾振傳感器等進行調(diào)試；應(yīng)用環(huán)境隨機振動法進行橋梁結(jié)構(gòu)的振動試驗，通過拾振傳感器、放大器、信號采集系統(tǒng)和計算機拾取并記錄橋梁結(jié)構(gòu)的隨機振動響應(yīng)；聯(lián)合基于傅里葉變換的譜峰值法、隨機子空間法(SSI法)及隨機減量法進行振動特性參數(shù)分析，譜峰值法結(jié)合隨機子空間法是獲得超大跨度柔性橋梁振動頻率和振型的最可靠、準確的方法，隨機減量法可更準確地識別結(jié)構(gòu)的阻尼比。

2.5 測試結(jié)果與分析

主橋13階固有振動特性參數(shù)包括實測和理論計算的固有振動頻率、模態(tài)阻尼比和振型特征。理論計算振型及實測模態(tài)如圖6～11所示。

圖6 主梁1階對稱豎向彎曲振動

圖7 主梁1階反對稱豎向彎曲振動

圖8 主梁1階對稱扭轉(zhuǎn)振動

圖9 主梁2階對稱豎向彎曲振動

圖10 主梁2階反對稱豎向彎曲振動

圖11 主梁3階對稱豎向彎曲振動

2.6 實測模態(tài)結(jié)果與分析

實測頻率均大于計算值，實測各階阻尼比在正常范圍內(nèi)，如表1，2所示。

表1 主橋前15階成橋狀態(tài)模態(tài)實測與理論計算對比結(jié)果

表2 橋跨結(jié)構(gòu)自振特性參數(shù)測試結(jié)果

3 結(jié)語

實測得到的主橋豎橋向各階固有振動頻率與理論計算值較吻合，說明大橋?qū)嶋H的動力特性與理論預(yù)測值較接近。大橋在環(huán)境振動下得到的各階振動頻率比理論計算值稍大，說明橋跨結(jié)構(gòu)動力剛度大于計算值。

主橋第1階豎向彎曲、扭轉(zhuǎn)及橫向彎曲振動頻率分別為0.273，0.852，0.275Hz(理論值分別為0.266，0.852，0.247Hz)。第1階扭彎頻率比為3.12。實測阻尼比介于0.522%～2.875%。振動測試試驗結(jié)果表明，橋跨鋼箱梁結(jié)構(gòu)實際整體剛度優(yōu)于理論剛度，理論模型計算振型與振動試驗各階的實測振型基本一致，表明鋼箱梁剛度分布、質(zhì)量分布與設(shè)計基本一致，以上鋼箱梁特征參數(shù)對該橋梁后期營運養(yǎng)護具有一定的參考意義。