基于荷載試驗的獨塔雙索面剛構體系斜拉橋動力特性研究與分析

陳寧凱　張偉

摘 要：單塔雙索面斜拉橋由于主跨跨徑較小，當采用墩、塔、梁三相固結的剛構體系時，橋梁整體剛度較大，需要特別關注該體系橋梁結構整體動力特性。本文通過對某獨塔雙索面剛構體系斜拉橋進行地脈動試驗、動載試驗的數據分析與研究，綜合分析該橋的動力特性，為后續研究提供參考。

關鍵詞：剛構體系斜拉橋;特征值分析;動載試驗;動力特性

中圖分類號：U448.27? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2019）05-0105-03

單塔雙索面斜拉橋主跨一般比相同類型的雙塔三跨式的小，通常適用于跨越寬度較小的河流、山谷以及作為跨線橋，也可用主跨跨越河流，索塔及邊跨布置在河流一岸的方式。獨塔雙索面剛構體系斜拉橋由于采用了索塔、橋墩以及主梁三者互為固結的方式，使主梁成為在跨內具有多點彈性支撐的剛構體系，這種體系的優點是結構整體剛度較大，在行車荷載作用下主梁豎向撓度和塔柱縱向撓度均較小，同時非常適合懸臂澆筑施工，不用在塔梁間設置大噸位支座，剛構體系斜拉橋整體剛度較大，對于動力響應較為敏感，所以對這類結構體系的斜拉橋進行動力性能研究與分析是很有必要的。本文以某獨塔雙索面剛構體系斜拉橋為依托，通過荷載試驗研究了獨塔雙索面剛構體系斜拉橋的動力性能，得出一些結論，為該類型斜拉橋后續研究提供參考。

1 工程概況

某獨塔空間雙索面斜拉橋位于廣東省江門市，橋跨組成為（44+103+180）m，橋面寬43m。橋梁布設于R=10000m 的豎曲線上。全橋設置62對124根斜拉索，梁上索距分別為5m和3m，塔上索距為1.8m。主塔為混凝土門型橋塔，橋面以上塔高85m（不含塔頂結構）。主梁采用預應力混凝土箱梁，為單箱三室結構，主橋全寬43m，梁高3.3m。該橋采用梁塔固結體系，在過渡墩和輔助墩頂設有支座。主塔采用混凝土門型橋塔，在主塔柱外側設置輔助塔。該橋荷載等級為按公路-Ⅰ級，雙向六車道汽車荷載計算。

2 特征值分析

橋梁結構特征值計算主要有子空間迭代法、Lanczos和多重Ritz向量法，相對于Lanczos和多重Ritz向量法，子空間迭代法非常適合于獨塔空間雙索面斜拉橋這種具有大規模矩陣的有限元系統，可以高效的處理矩陣計算，快速得到特征值。本項目分析時采用MIDAS/CIVIL建立有限元模型，采用子空間迭代法計算特征值。將斜拉橋上部結構主塔和主梁劃分為1461個梁單元、斜拉索劃分為124個桁架（只受拉）單元，共1531個節點。如圖1所示。

3 橋梁動力特性試驗方法

3.1 地脈動試驗

地脈動試驗是在橋面無任何交通荷載以及橋址附近無規則振源的情況下，測定由風荷載、地脈動、水流等隨機激勵引起的微幅振動響應，通過頻譜分析法和模態分析法確定其自振特性（自振頻率、振型）。橋跨結構測點振動響應，采用超低頻水平和垂直拾震器，配DASP數據采集分析系統、便攜計算機記錄輸出信號，并可實時進行頻域、時域處理與分析。本次地脈動試驗共布設22個垂直測點，11個橫橋向測點和6個縱橋向測點布置于橋面兩側及索塔兩個截面，共分為2個批次進行數據采集，以主梁上7#及17～19#測點作為參考點，測點布置圖見圖2。

3.2無障礙及有障礙行車試驗

通過無障礙及有障礙行車試驗采用強迫振動法進行動載試驗，測試試驗橋梁截面動撓度或動應變，從而計算分析該橋的動力沖擊系數等參數。該橋動應變（動撓度）測點設置在移動荷載作用下中跨最大撓度截面，測點布置圖見圖3。行車試驗主要包括以下工況：

（1）跳車激振試驗：用1輛350kN的重車的前輪從約7㎝高的三角形墊塊上突然下落進行激振，使橋梁產生有阻尼的自由衰減振動，并通過頻譜分析法、波形分析法確定橋梁結構的自振頻率和阻尼比。

（2）無障礙行車試驗：在橋面無任何障礙的情況下，用2輛重車并排行駛（重約350kN），以5、10、20、30、40km/h的速度勻速通過橋跨結構，測定橋跨結構在行車作用下的動力響應（動撓度、動應變及沖擊系數）;并利用車輛駛離橋面后引起的余振信號來識別橋梁結構的自振頻率。

（3）有障礙行車試驗：在橋跨結構L/2橋面上設置高度為7cm的障礙物（其橫斷面為底寬40cm，矢高為7cm的弓形木板），用2輛重車并排行駛（重約350kN）以5、10、20km/h的速度勻速通過橋跨結構，模擬車輛駛過橋面障礙物后對橋梁結構的影響，以測定橋跨結構在橋面不良狀態時運行車輛荷載作用下的動力響應（動撓度、動應變及沖擊系數）。

（4）剎車制動試驗：用2輛重車并排（重約350kN）以30、40km/h的速度在橋跨上勻速行駛，在中跨跨中部位緊急制動，測試其動力響應。

4橋梁動力特性試驗結果

4.1 模態分析結果

模態分析是將線性定常系統振動微分方程組中的物理坐標變換為模態坐標，使方程組解耦，成為一組以模態坐標及模態參數描述的獨立方程，以便求出系統的模態參數。坐標變換的變換矩陣為模態矩陣，其每列為模態振型。模態分析前10階結果匯總于表1。

通過模態測試結果分析可知：①自振頻率實測值均大于理論值，表明橋梁結構各自由度方向實際剛度均大于理論剛度;②主梁1階橫彎頻率1.694Hz（階數6）出現在主塔縱彎和橫彎后;③主梁1階豎向扭轉頻率1.239Hz（階數4）出現在主梁2階反對稱豎彎（階數3）后;④主塔縱彎頻率0.519Hz（階數1）出現在主塔橫彎之前，說明主塔的橫向剛度大于縱向剛度。

4.2無障礙及有障礙行車試驗結果

沖擊系數的測試是根據控制面測點在行車試驗時記錄的動撓度或動應變曲線進行分析處理，具體計算公式如下：