大跨度鋼-混疊合梁懸索橋動載試驗研究

崔海虎

(內蒙古交通職業技術學院,內蒙古 赤峰024005)

1 工程概述

本人橋梁工程橋采用單跨550m的鋼-混疊合梁簡支懸索橋，橋寬30.5 m。加勁梁為鋼-混疊合梁，由鋼梁通過剪力釘與混凝土橋面板結合而成，加勁梁全寬30.5 m，中心線處梁高3.92 m。主纜成橋狀態計算跨度為（130+550+210）m，主跨垂跨比為1/10。主纜采用預制平行鋼絲束股（PPWS），主跨兩根主纜的中心間距25.5 m。橋塔結構是由塔柱、橫梁組成的門式框架。塔柱結構設計為普通鋼筋混凝土，橫梁結構設計為預應力混凝土。本工程道路路面為雙向四車道，一級公路。

動載試驗主要通過脈動試驗、無障礙行車及剎車試驗測定橋跨結構在試驗動荷載作用下結構的動力特征，動荷載下的動力響應，評定實際結構的動力性能。

2 動載試驗設計與實施

該橋梁的試驗截面選取主跨（4-4、6-6、8-8）截面進行動載試驗。動載試驗截面布置如圖1所示。采集橋跨結構自由振動狀態下關鍵部位振動加速度、特征截面動應變時域信號，通過頻譜分析等方法得到橋跨結構自振特性參數。

圖1 動載測試布置圖

自振特性測定試驗采用的激勵方式：

（1）脈動試驗：試驗前提在橋梁路面不存在任何阻力和障礙之下，再通過環境隨機振動激勵法，采集設定長時間下其橋面脈動產生的響應信號，再具體分析橋梁結構所屬的實際振型。

（2）無障礙行車激勵：試驗前提在橋梁路面不存在任何阻力和障礙之下，通過4輛載重（載重約35噸）的卡車，以路面中央位置的分隔帶作為中心界線，道路兩邊分別2輛對稱行車，設定4輛車的速度按照設定速度勻速行駛且同時起步行駛，分別以30km/h、40km/h、50km/h、60km/h勻速行駛使，采集行駛過程中橋梁所呈現的受迫振動，測算橋跨工程結構受車輛行駛荷載的作用力下采集其動力反應時程曲線。

（3）無障礙剎車激勵：試驗前提在橋梁路面不存在任何阻力和障礙之下，通過4輛載重（載重約35噸）的卡車，以路面中央位置的分隔帶作為中心界線，道路兩邊分別2輛對稱行車，設定4輛車的速度按照設定速度勻速行駛且同時起步行駛，分別以30km/h、40km/h、50km/h、60km/h勻速行駛至設定的試驗截面采取剎車，測算橋跨工程結構在車輛行駛制動力荷載作用下其動力反應時程曲線。

3 試驗結果與分析

3.1 橋跨結構振型

采用橋梁領域專業軟件MIDAS Civil有限元程序（考慮恒載幾何非線性）對大橋整體進行理論分析，主纜及吊索采用桁架模擬，主梁和索塔采用梁單元模擬，橋面板采用板單元模擬，支座按實際位置及約束條件進行模擬，有限元模型共劃分1548個單元（包括桁架單元、梁單元、板單元），772個節點。

該橋振型采集，對該橋豎平面內彎曲、橫向彎曲自振特性以及扭轉自振特性進行測試，且模態測試階數要求不少于9階（主振型）。實測結果見表1。從表中可以看出：（1）實測該橋橋跨豎向基頻為0.215 Hz，大于相應的理論計算豎向基頻0.162 Hz，實際橋梁結構剛度大于有限元分析剛度。（2）實測振型與理論計算振型基本吻合，橋梁振型無異常情況。

表1 主橋實測動力特性

3.2 行車動力響應

根據《公路橋梁荷載試驗規程》（JTG/T J21-01-2015）中6.6.5 節要求，對于該特大跨徑橋梁，本次擬采用動應變時程曲線計算沖擊系數。表2為主跨動應變測試分析結果。

表2 主跨動應變測試分析結果表

該橋4-4截面應變增大系數最大值為1.04 ，6-6截面應變增大系數最大值為1.02 ，8-8截面應變增大系數最大值為1.03 。按《公路橋涵設計通用規范》[2]（JTG D60-2015）中規定，理論計算沖擊系數μ=0.05 。根據《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》[3]中“車輛荷載作用下測定結構的動力系數（應變增大系數）應滿足(σmax-1)η≤μ”的規定進行計算可知實測沖擊系數在0.01 ～0.04 之間，小于理論計算沖擊系數0.05 。因此該橋的實測沖擊系數滿足規范要求。

3.3 阻尼比分析結果

將拾振器安裝在各動載測試截面的橋面鋪裝上，用橡皮泥將拾振器底座與橋面粘貼在一起，用動態信號采集分析系統進行觀測，得到在行車激振作用下試驗截面的振動速度時程曲線。

根據采集的振動速度時程曲線擬采用波形分析法進行阻尼比分析，多階自振信號疊加的波形通常首先分離為單一頻率的自振頻率。根據阻尼比，分析結果如表3。

表3 阻尼比分析結果表

實測各階振型阻尼比范圍為0.113 ～0.899 ，說明結構的阻尼系數較小，衰減較慢，這與結構的形式是一致的。

3.4 截面行車振動頻譜分析結果

從表4的分析數據得出，實際的行車振動響應數據分析基頻均高于設定的理論基頻，所得數據基本與脈動分析基頻相穩合。

表4 動載試驗跑車振動曲線頻譜分析結果表

4 結論

實際測算數據得出本大跨度橋梁的主跨豎向基頻數據為0.215 Hz，大于原設定的理論基頻數據0.162 Hz。試驗前提在橋梁路面不存在任何阻力和障礙之下，激勵振動響應分析基頻均高出原高定的理論基頻，實際測算的橋跨沖擊系數范圍在0.01 ～0.04 ，再乘以相應的動載效率后小于理論計算沖擊系數0.05 。大跨度橋梁在車輛運行中其振型沒有產生異常情況，實際測算的振型數據與原設定的理論振型數據相吻合，實際測算的阻尼數據也基于正常。

以上數據表明：試驗前提在橋梁路面不存在任何阻力和障礙之下，橋梁在實測中的各項動力系數均符合正常設計，大跨度橋梁的整體動力特性呈現良好，行車性能也基本滿足相關設計要求和規范要求。