獨(dú)塔雙索面混合梁斜拉橋耦合荷載作用下動(dòng)載試驗(yàn)分析

楊善武

(合肥工大工程試驗(yàn)檢測(cè)有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230051)

0 引 言

為了適應(yīng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，一方面越來(lái)越多的橋梁設(shè)計(jì)成了公軌兩用橋梁，另一方面由于交通流量急劇增加，新的交通工具也在不斷地投入使用，如城市中越來(lái)越多的輕軌車輛。

當(dāng)大型貨車和軌道交通列車(包括火車、輕軌車)在大跨度橋梁上運(yùn)行時(shí)，會(huì)明顯影響橋梁局部動(dòng)力性能和疲勞壽命。而橋梁的振動(dòng)也會(huì)影響車輛和軌道交通的安全運(yùn)行和車上人員的舒適度，使其成為評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)動(dòng)力設(shè)計(jì)參數(shù)是否合理的重要考慮因素。因此，對(duì)車輛-橋梁耦合系統(tǒng)進(jìn)行分析，確保在車輛運(yùn)行時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)的安全使用及車輛運(yùn)行時(shí)的舒適與安全可靠，并為橋梁設(shè)計(jì)提供某些參數(shù)的理論依據(jù)，對(duì)于當(dāng)今橋梁的維護(hù)和設(shè)計(jì)建造具有十分重要的理論和實(shí)際意義。

橋梁在耦合作用下的動(dòng)載試驗(yàn)就是通過(guò)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行直接加載測(cè)試的一項(xiàng)科學(xué)試驗(yàn)，目的是通過(guò)動(dòng)載試驗(yàn)直接了解其受力狀態(tài)，同時(shí)可通過(guò)荷載試驗(yàn)了解在通常情況下難以發(fā)現(xiàn)的病害，用于檢驗(yàn)設(shè)計(jì)和施工的質(zhì)量。通過(guò)荷載試驗(yàn)，獲取科學(xué)技術(shù)數(shù)據(jù)，掌握橋梁的整體工作性能，獲得結(jié)構(gòu)的動(dòng)力參數(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)狀況進(jìn)行評(píng)估，測(cè)定橋梁結(jié)構(gòu)在軌道列車荷載及車輛荷載同步作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，判斷橋梁結(jié)構(gòu)的整體受力分析能否滿足設(shè)計(jì)文件和現(xiàn)行規(guī)范的技術(shù)要求，檢驗(yàn)預(yù)期的設(shè)計(jì)效果，反映橋梁綜合施工質(zhì)量，驗(yàn)證橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性，為橋梁的后期養(yǎng)護(hù)和管理提供可靠的資料[1-4]。

1 測(cè)試內(nèi)容

動(dòng)載試驗(yàn)主要測(cè)試內(nèi)容包括模態(tài)試驗(yàn)及車輛激勵(lì)試驗(yàn)。模態(tài)試驗(yàn)主要采集橋梁結(jié)構(gòu)的自振頻率信息，并分析計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型、阻尼。車輛激勵(lì)試驗(yàn)主要測(cè)試橋梁主橋在軌道專用列車及載重汽車荷載作用下的沖擊系數(shù)、動(dòng)力響應(yīng)[5-7]。具體測(cè)試內(nèi)容如下：

(1) 建立寬箱主梁和軌道梁一體的斜拉橋合理的空間計(jì)算模型，計(jì)算、分析橋梁動(dòng)力特性，主要分析橋梁各階頻率和振型，對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性做出評(píng)價(jià)；

(2) 根據(jù)動(dòng)力分析與測(cè)試的結(jié)果，對(duì)主梁結(jié)構(gòu)剛度提出合理的評(píng)價(jià)。

(3) 分析各種荷載工況下，車輛和橋梁動(dòng)力響應(yīng)，并參照合適的規(guī)范進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 工程實(shí)例

2.1 橋梁概況

某橋?yàn)橐蛔墐捎锚?dú)塔雙索面斜拉橋，建于2019年，主橋?yàn)榭鐝?96+66)m獨(dú)塔雙索面混合梁斜拉橋，塔、梁、墩固結(jié)體系，不設(shè)輔助墩。索塔采用鉆石形雙塔柱橋塔；主梁采用雙邊箱混合梁主梁(主跨側(cè)組合梁，邊跨側(cè)混凝土梁)；斜拉索采用平行鋼絲成品索，平行扇形雙索面。立面布置上，豎曲線半徑為1 800 m，錨跨縱坡為2.5%，主跨最大縱坡為2.83%。主橋范圍內(nèi)平曲線為直線。主橋主跨側(cè)標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置為：0.25 m(欄桿)+2.5 m(人行道)+3.5 m(非機(jī)動(dòng)車道)+0.25 m(欄桿)+2.25 m(分隔帶索區(qū))+0.5 m(防撞護(hù)欄)+8 m(機(jī)動(dòng)車道)+0.5 m(防撞護(hù)欄)+8.5 m(預(yù)留軌交凈寬)+0.5 m(防撞護(hù)欄)+8 m(機(jī)動(dòng)車道)+0.5 m(防撞護(hù)欄)+2.25 m(分隔帶索區(qū))+0.25 m(欄桿)+3.5 m(非機(jī)動(dòng)車道)+2.5 m(人行道)+0.25 m(欄桿)=44 m。

主跨施工階段劃分為11個(gè)節(jié)段，節(jié)段長(zhǎng)度為8 m，其中1號(hào)段為鋼-混結(jié)合段，后面10個(gè)節(jié)段采用鋼-混組合結(jié)構(gòu)，混凝土橋面板采用C50混凝土，鋼結(jié)構(gòu)采用Q345qD鋼材，橋面板與鋼主梁頂板采用焊釘連接件連接；0號(hào)段(塔-墩-梁結(jié)合段)及錨跨采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，其中0號(hào)段長(zhǎng)為16 m，錨跨設(shè)置2個(gè)現(xiàn)澆段，長(zhǎng)度分別為26 m和30 m，中間設(shè)置2 m合龍段。

主跨鋼-混組合梁：主跨采用分離式雙邊箱組合梁，橫斷面寬度44 m，主梁中心梁高2.7 m。預(yù)制混凝土橋面板厚度為26 cm，寬度為41.4 m，每側(cè)各留有1.3 m放置過(guò)橋管線；邊箱箱室寬度為7 m，頂板厚度為25 mm，底板厚度為20 mm，邊腹板厚度為20 mm，中腹板厚度為30 mm，橫斷面兩側(cè)各留有3.75 m挑梁。雙邊箱之間設(shè)置一道工字形小縱梁。橫隔梁標(biāo)準(zhǔn)間距為4.0 m，其中不設(shè)承軌臺(tái)的橫梁腹板厚度為20 mm，頂板寬度為600 mm，厚度為25 mm，底板寬度為860 mm，厚度為35 mm；設(shè)置承軌臺(tái)的橫梁腹板厚度為25 mm，頂板寬度為600 mm，厚度為35 mm，底板寬度為1 200 mm，厚度為45 mm；兩橫隔梁間設(shè)置腹板抗剪豎向加勁肋。

主跨鋼-混結(jié)合段：鋼-混結(jié)合段長(zhǎng)度為2.0 m，在組合梁側(cè)設(shè)置2.0 m的鋼梁加強(qiáng)段，采用填充混凝土結(jié)合方式，梁段之間采用實(shí)心混凝土橫梁連接，鋼梁底做成雙壁結(jié)構(gòu)形成鋼格室埋入混凝土內(nèi)，頂板、腹板采用圓柱頭焊釘連接過(guò)渡，通過(guò)張拉縱、橫向預(yù)應(yīng)力使得結(jié)合段處于三向受壓狀態(tài)。

索塔為鋼筋混凝土構(gòu)件，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50。其外形為鉆石形塔柱，縱向?yàn)閱沃剑瑱M斷面上共布置兩個(gè)塔柱，兩塔柱中心距為29.5 m，索塔總高54.765 m，橋面以上索塔塔高44.6 m，塔高/主跨=0.465；以主梁為界，將塔柱劃分為上、下兩部分。

斜拉索為平行扇形雙索面布置。主跨側(cè)共10對(duì)索，梁上標(biāo)準(zhǔn)間距8 m；由于采用交叉錨方式，每1根主跨索對(duì)應(yīng)2根錨跨索，錨跨段標(biāo)準(zhǔn)索間距6.0 m，在配重段索間距為4.0 m。塔上標(biāo)準(zhǔn)索距為2.0 m，最大索距為2.629 m。斜拉索內(nèi)涂有防腐膩脂，鋼絲護(hù)套為雙層熱擠PE形成，內(nèi)層為黑色，外層為彩色。為減小風(fēng)雨振，在PE表面設(shè)有風(fēng)雨線，在每根斜拉索上兩端都設(shè)有減震器，在斜拉索下端2.0 m范圍內(nèi)外包不銹鋼管，以保護(hù)斜拉索不受破壞。根據(jù)索力大小，每根拉索由139根到337根Φ7 mm高強(qiáng)鋼絲組成，鋼絲標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 670 MPa。

道路等級(jí)：城市主干道；單軌交通80 km/h，主線城市道路60 km/h，雙向四車道，汽車荷載為城-A級(jí)，兩側(cè)設(shè)人行和非機(jī)動(dòng)車道。

單軌交通荷載由軌交設(shè)計(jì)單位提資并符合國(guó)家和相關(guān)行業(yè)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)；人群及非機(jī)動(dòng)車荷載：根據(jù)《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ 11—2011)取值；汽車荷載為城-A級(jí)。

2.2 動(dòng)載試驗(yàn)

2.2.1 索力測(cè)量

斜拉索在各種環(huán)境因素的作用下通常會(huì)激發(fā)起微小的振動(dòng)，通過(guò)使用高靈敏度的拾振傳感器及其相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備和分析軟件，由結(jié)構(gòu)的振動(dòng)分析出若干階自振頻率，最后由索力與其自振頻率、邊界條件、剛度等的關(guān)系式通過(guò)頻率來(lái)反算索力。檢測(cè)方法采用頻測(cè)法，抽檢比例為100%。

2.2.2 脈動(dòng)試驗(yàn)

(1) 測(cè)試方法：在橋面無(wú)任何交通荷載以及橋址附近無(wú)規(guī)則振源的情況下，通過(guò)高靈敏度動(dòng)力測(cè)試系統(tǒng)測(cè)定橋址處風(fēng)荷載、地脈動(dòng)、水流等隨機(jī)荷載激振而引起橋跨結(jié)構(gòu)的微幅振動(dòng)響應(yīng)，測(cè)得結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型和阻尼比等動(dòng)力學(xué)特征[8-10]。

(2) 測(cè)點(diǎn)布置：加速度傳感器的布設(shè)在橋面機(jī)動(dòng)車道外側(cè)，根據(jù)該橋結(jié)構(gòu)振型特征，主梁兩側(cè)共布置13×2=26個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 主橋脈動(dòng)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)縱向布置圖(單位：m)

圖2 主橋動(dòng)應(yīng)變、動(dòng)撓度測(cè)試截面位置圖(單位：m)

圖3 11截面動(dòng)應(yīng)變、動(dòng)撓度測(cè)試傳感器橫向布置圖

2.2.3 車輛激勵(lì)試驗(yàn)

(1) 測(cè)點(diǎn)布置：根據(jù)橋梁振型特征，主橋車輛激勵(lì)試驗(yàn)測(cè)試截面如圖2所示，1-1截面動(dòng)應(yīng)變、動(dòng)撓度測(cè)點(diǎn)布置位置如圖3所示。

(2) 加載車型：車輛激勵(lì)試驗(yàn)加載車型為軌道專用列車(滿載75 t)及后八輪載重汽車(44 t),進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)查勘，為模擬軌道列車均布荷載，本次軌道列車的配載，采用密封沙袋進(jìn)行配重，每輛軌道列車配載75 t。

(3) 試驗(yàn)加載工況：動(dòng)載試驗(yàn)時(shí)選擇1輛后八輪載重汽車及2輛軌道專用列車在規(guī)定路線行駛進(jìn)行測(cè)試。上述加載車輛同向同步行駛，在規(guī)定時(shí)速下勻速通過(guò)橋跨結(jié)構(gòu)，測(cè)定測(cè)試截面處的動(dòng)位移、動(dòng)應(yīng)變時(shí)間歷程曲線。車輛激勵(lì)試驗(yàn)各加載工況見(jiàn)表1。

表1 車輛激勵(lì)試驗(yàn)加載工況匯總表

2.3 數(shù)據(jù)處理

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理時(shí)，應(yīng)注意消除系統(tǒng)誤差，舍棄因過(guò)失誤差產(chǎn)生的可疑數(shù)據(jù)。對(duì)動(dòng)載時(shí)域波形應(yīng)先進(jìn)行預(yù)檢，去掉奇異項(xiàng)，修正零線漂移、趨勢(shì)項(xiàng)等誤差，以確保數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性和真實(shí)性。

2.3.1 拉索索力

將拉索視為弦的振動(dòng)，在拉索上任意截取單元體，其基本平衡方程為：

在拉索兩端為鉸支的情況下，上式的解式為：

一般而言，拉纜索的彎曲剛度與索長(zhǎng)的平方相比很小，可以忽略不計(jì)，當(dāng)K值較小時(shí)，上式可改為：

因拉索的m、l均為已知，通過(guò)人工激勵(lì)可獲得拉索的頻響函數(shù)，由拉索的頻響函數(shù)可識(shí)別出拉索的頻率f，從而得到拉索的索力。

2.3.2 動(dòng)力系數(shù)

根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)理論，結(jié)構(gòu)承載后最不利的狀態(tài)是結(jié)構(gòu)在發(fā)生最大靜載效應(yīng)的同時(shí)也發(fā)生最大動(dòng)載效應(yīng)，動(dòng)荷載下實(shí)測(cè)的沖擊系數(shù)根據(jù)動(dòng)撓度時(shí)程曲線分析處理，本次動(dòng)載試驗(yàn)采取在橋跨結(jié)構(gòu)控制下緣布置動(dòng)應(yīng)變傳感器，測(cè)試各速跑車、制動(dòng)工況下的應(yīng)變波形圖。從應(yīng)變波形圖計(jì)算動(dòng)力系數(shù)：

式中：εdmax為時(shí)域曲線最大的波峰值；εdmin為靠近最大波峰的第一個(gè)波谷最小值。

2.3.3 基頻

采用脈動(dòng)法進(jìn)行自振測(cè)試，使用江蘇東華測(cè)試DH3822及磁電式加速度傳感器采集橋梁的自振信號(hào)，采用DHDAS動(dòng)態(tài)信號(hào)分析系統(tǒng)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行譜分析，根據(jù)采集的時(shí)域信號(hào)通過(guò)頻譜分析計(jì)算得到橋梁結(jié)構(gòu)各階自振頻率。

2.3.4 阻尼分析

結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)用阻尼比D表示，其計(jì)算公式為：

D=(f2-f1)/2f0

式中：f0為自振頻率，f1、f2為半功率點(diǎn)頻率，即0.707倍功率譜峰值所對(duì)應(yīng)的頻率。

2.3.5 振型分析

振型分析主要根據(jù)脈動(dòng)試驗(yàn)通過(guò)分析計(jì)算來(lái)確定各測(cè)點(diǎn)的幅值和相位，從而得出橋梁結(jié)構(gòu)的振型。

2.4 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果

2.4.1 索力測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)前后吊桿索力實(shí)測(cè)值與成橋空載狀態(tài)索力值最大偏差不超過(guò)5%，滿足規(guī)范要求，動(dòng)載試驗(yàn)前后，索力測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2、表3。

表2 主跨索力數(shù)據(jù)檢測(cè)結(jié)果匯總表

表3 邊跨索力數(shù)據(jù)檢測(cè)結(jié)果匯總表

續(xù)表

2.4.2 脈動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

橋梁自振特性實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值對(duì)比見(jiàn)表4，主梁面內(nèi)一階振型、二階振型、三階振型實(shí)測(cè)結(jié)果如圖4～圖6所示。

表4 橋梁自振特性實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值對(duì)比表

圖4 主梁面內(nèi)實(shí)測(cè)一階振型圖(1.221 Hz)

圖5 主梁面內(nèi)實(shí)測(cè)二階振型圖(1.719 Hz)

圖6 主梁面內(nèi)實(shí)測(cè)三階振型圖(2.705 Hz)

2.4.3 車輛激勵(lì)試驗(yàn)結(jié)果

車輛激勵(lì)試驗(yàn)得到試驗(yàn)橋跨在不同車速列車荷載及加載車荷載作用下的動(dòng)力放大系數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5，工況一、工況二的典型時(shí)程曲線分別如圖7、圖8所示。

表5 車輛激勵(lì)試驗(yàn)加載工況匯總表

圖7 工況一1-1截面動(dòng)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)1時(shí)程曲線圖

圖8 工況二1-1截面動(dòng)位移測(cè)點(diǎn)3時(shí)程曲線圖

3 結(jié) 論

(1) 試驗(yàn)前后吊桿索力實(shí)測(cè)值與成橋空載狀態(tài)設(shè)計(jì)索力值最大偏差不超過(guò)5%，滿足規(guī)范要求。

(2) 脈動(dòng)試驗(yàn)主梁實(shí)測(cè)振型與設(shè)計(jì)計(jì)算相符，實(shí)測(cè)自振頻率大于理論計(jì)算值，表明橋梁結(jié)構(gòu)整體剛度較大，滿足設(shè)計(jì)要求。

(3) 車輛激勵(lì)試驗(yàn)結(jié)果表明，在不同車速滿載列車及載重汽車荷載作用下，實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)在合理范圍內(nèi)，滿足要求。

綜上所述，橋梁主橋結(jié)構(gòu)基本動(dòng)力特性指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。