廈門湖濱西路口跨線橋靜動載試驗研究

劉羽宇

(中國民用航空飛行學院飛行技術學院，四川廣漢618307)

隨著我國鋼鐵工業和鋼結構技術的發展，鋼結構橋梁越來越被眾多建設單位采用，鋼箱連續梁橋更是以其斷面小、抗扭剛度大、強度高、重量輕、外形簡潔流暢、設計方便和施工快捷迅速等優點[1]而在城市交通中被廣泛應用。

已建成的湖濱西路口跨線橋位于廈門市快速交通系統(BRT)一期工程一號線島內段湖濱西路口處。主梁為4跨(27.5 m+2×42.5 m+27.5 m)連續鋼箱梁，鋼箱梁采用單箱單室斜腹板截面，梁高2.60 m。箱梁頂寬9.80 m，箱底寬4.46 m，兩側懸臂長度為1.78 m。為檢驗該橋的設計合理性與施工質量，確定工程的可靠性，判斷其實際承載能力，評價其在設計使用荷載下的工作性能，對該橋進行了自振特性及靜、動載試驗研究，并用有限元軟件做了對比計算分析。

1 試驗加載設計與試驗方法

1.1 試驗加載設計

為合理進行此連續鋼箱梁橋的荷載試驗，針對該橋做了相應的詳細計算分析工作。本次試驗采用橋梁博士軟件計算了該鋼箱梁橋在城-B、BRT荷載以及直線電機B型車活載(設計控制荷載)作用下的結構彎矩包絡圖，據此并結合橋跨實際情況確定了本橋的試驗工況。全橋選取3個試驗斷面，分別為第3跨及第4跨跨中最不利正彎矩及支點附近最不利負彎矩工況，如圖1所示。分別在每跨的1/4、1/2、3/4跨截面處設2個撓度測點，分別在A-A、B-B、C-C截面設17個應變測點，動應變測點選擇第三跨跨中C-C及第四跨跨中A-A截面上各三個應變測點進行，如圖2，圖中“圓圈+箭頭”為撓度測點，實心三角形為靜應變測點，帶實心圓點三角為動應變測點。

圖1 測試斷面(單位：mm)

圖2 主梁測點布置(單位：mm)

1.2 試驗內容與方法

橋梁荷載試驗是一項復雜而細致的工作，技術含量高，涉及面廣，一般分為靜載與動載試驗[2]。

1.2.1 靜載試驗內容與方法

靜載試驗，包括各試驗斷面的應力測試和加載跨L/4、L/2、3L/4位置的豎向撓度，經過優化合并后，所確定的加載工況以及相應的檢驗、觀測項目見表1，每輛試驗車輛重380±10 kN，軸距3.85 m+1.40 m。正式試驗前,先對結構預加載2次,以消除橋梁的非彈性變形。每個工況加載2次，加載時間應充分長以保證橋梁完全變形，卸載以后，同樣需等結構充分回復到初始狀態后再進行加載。

表1 各靜力加載工況及觀測項目

1.2.2 動載試驗內容與方法

動力測試主要包括自振特性測試和行車激振試驗。

自振特性測試，是研究振動問題的基礎[3]，主要測定橋梁的自振頻率、振型和阻尼比。采用脈動法測試該橋梁的自振頻率，并采用模態分析法得到對應頻率的振型，根據功率譜用半功率點帶寬法計算阻尼比。試驗中，所記錄的信號要足夠長，不飽和信號需要補充測試。

動載試驗分為無障礙行車試驗、跳車試驗和制動試驗，用一輛載重汽車作為加載荷載。受現場條件限制，無障礙行車試驗車速為10～30 km/h，跳車試驗行車車速5～30 km/h，制動試驗行車車速30 km/h。

2 有限元模型及計算方法

采用ANSYS有限元軟件建立該鋼箱梁橋的計算模型，如圖3。模型采用直接生成方法建立，其優點是可以對幾何形狀及每個節點和單元的編號有完全的控制。根據橋梁主體是由鋼板這種薄壁件焊接而成且分析過程處于彈性階段的特點，選用殼單元shell63對其進行離散, 這種單元可以承受平面內荷載和法向荷載，能夠模擬計算實際結構的彎曲和

薄膜應力。為了在保證計算結果可靠性的基礎上降低運算規模，有限元網格在加載附近和測點附近劃分較細，其它部分較粗[4]。橋梁上的附屬設施(包括橋面鋪裝)，由于對橋梁的剛度貢獻較小，故僅將其質量折算到橋梁中，而不單獨模擬[5]。

計算內容主要包括橋梁的自振特性和靜載工況(與靜載試驗相對應)的計算。自振特性采用分塊Lanczos法求解器計算，具有求解精度高、速度快的特點。靜載工況計算由于主要研究橋梁各測試截面的撓度及應變，因此，可將加載車輛簡化為集中力荷載來計算, 集中力的大小及施加的位置根據試驗車輛的質量和輪位確定。

圖3 橋梁模型局部

3 試驗結果與分析

3.1 靜載試驗結果與分析

3.1.1 撓度結果與分析

各工況下梁體撓度實測和計算值見表2。可以看出，實測值和計算值較接近，第3跨梁體最大位移實測值為14.97 mm，計算值為18.50 mm，第4跨梁體最大位移實測值為5.13 mm，計算值為7.11 mm，橋跨結構具有足夠的剛度。各工況下撓度結構校驗系數介于0.60～1.05之間，基本處于合理范圍內。

表2 梁體靜撓度實測值與計算值比較 mm

3.1.2 應力實測結果與分析

各工況下該橋測試截面應力實測和計算值見表3。可以看出，實測值和計算值同樣較為接近，測試截面的應力結構校驗系數介于0.76～0.95之間，處于合理范圍內。各工況中，梁體應變回零良好, 結構處于彈性受力狀態。該橋測試截面應力較小，結構具有足夠的強度。

表3 梁體應力實測值與計算值比較

3.2 動力試驗結果與分析

3.2.1 自振特性結果與分析

由于結構振動是由若干個對應不同頻率的主振動迭加而成,而相應于基頻的主振動在結構的合成振動中占很大比例,是結構振動的主要部分。因而,通常主要以結構第一階主振動來評價結構的動態特性[6]。由表4可見，自振頻率的實測值和計算值基本相符。橫向一階實測頻率為2.05 Hz，計算值為1.85 Hz；豎向一階實測頻率為3.03 Hz，計算值為2.99 Hz，說明結構有較高的橫向和豎向剛度。實測一階阻尼比為0.029 ,結構的阻尼系數較小, 振動衰減較慢。

表4 橋梁自振頻率實測和計算值

3.2.2 行車試驗結果與分析

無障礙行車工況下的實測沖擊系數見圖4。從圖中可見，測試截面的無障礙行車沖擊系數介于1.00～1.08之間，截面A-A行車沖擊系數峰值為1.05，截面C-C行車沖擊系數峰值為1.08，均出現在30 km/h車速，說明行車對橋梁結構的沖擊作用較小。

圖4 無障礙行車時各截面的動態響應與行車速度的關系

跳車工況下的實測沖擊系數見圖5。從圖中可見，跳車沖擊系數介于1.07～1.52之間，截面A-A、C-C跳車沖擊系數峰值均為1.52，但截面A-A出現在車速20 km/h時，C-C出現在車速25 km/h時。跳車沖擊系數較無障礙行車工況明顯增大，說明當橋面凹凸不平時，車輛對橋梁將有顯著的沖擊作用，這與文獻[7]的試驗結果一致。

此外，截面A-A、截面C-C30 km/h制動沖擊系數均為1.11，說明在該速度下車輛的制動作用力對橋梁結構的沖擊作用不明顯。以上行車工況的沖擊系數均處于正常范圍。

圖5 跳車時各截面的動態響應與行車速度的關系

4 結論

靜力荷載試驗各工況下撓度結構校驗系數和應力結構校驗系數均處于合理范圍內，該鋼箱梁橋具有足夠的剛度和強度，在各試驗工況下均處于彈性工作狀態。

該鋼箱梁橋的自振頻率實測值和計算值基本相符，橫向和豎向基頻較大，具有較高的橫向和豎向剛度。

無障礙行車工況和30 km/h制動工況對橋梁結構的沖擊作用較小；跳車工況沖擊系數較無障礙行車工況明顯增大。

[1] 張希黔，韋亮，張宏勝.城市鋼箱梁結構立交橋的特點及安裝技術[J].施工技術，2004，33(9)

[2] 章日凱,王常青.橋梁荷載試驗[J].交通標準化,2005，(12)：69-72

[3] 李國豪.橋梁結構穩定與振動[M].修訂版.北京：中國鐵道出版社，1992:256

[4] 劉羽宇，葛玉梅，楊翊仁.跨座式輕軌鋼軌道梁的動力特性有限元分析[J].世界橋梁，2010，(1)：41

[5] 劉羽宇，葛玉梅.尼爾森體系提籃拱橋自振特性分析[J]. 四川大學學報:工程科學版, 2008, 40(增刊): 86

[6] 賈艷敏,楊艷敏.齊齊哈爾嫩江公路大橋動載試驗研究[J].公路交通科技,2000，17(增刊)：61

[7] 劉羽宇，葛玉梅，高玉峰,等.廈門BRT一期工程鋼箱梁橋靜動載試驗研究[J]. 鐵道建筑，2010，(3)：10