雙塔雙索面半漂浮體系大跨度斜拉橋結構振動特性試驗研究*

宋 超

(中交路橋建設有限公司，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，邊跨設置輔助墩，其跨徑布置為(86+229+636+229+86)m=1 266m，結構體系為五跨連續半漂浮體系。主梁為流線型扁平鋼箱梁，中心線處內輪廓梁高3.5m，鋼箱梁全寬33.5m，標準梁段16m，重2 750kN。索塔區梁段數量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 橋梁現場實景

索塔采用“H”形，索塔總高度194.6m，底部設置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構，斜拉索索塔錨固區內環向布置預應力。

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。基準參考點的布置原則為：避開理論計算模態中的振幅為0的測點。

有限元計算結果表明，前15階模態振型中，邊跨(19～20號墩)在第15階模態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。

根據理論振型中振動較大的點，確定現場實際布置測點，振動測點總體布置如圖2所示，共布置23個截面，均在上游和下游側各布置1個豎向測點，并在上游側布置1個橫橋向測點，用以拾取鋼箱梁豎向和橫向速度響應，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

采用橋梁結構分析軟件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計坐標建立，分別與主梁和主塔在錨點對應的節點處剛性連接。

圖4 全橋MIDAS模型

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

2.4 測試內容與分析方法

2.4.1測試內容

振動特性試驗測試的主要項目為橋跨結構的自振頻率、振型和阻尼比。通過測量橋塔和鋼箱梁的環境振動響應，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、拾振傳感器等進行調試；應用環境隨機振動法進行橋梁結構的振動試驗，通過拾振傳感器、放大器、信號采集系統和計算機拾取并記錄橋梁結構的隨機振動響應；聯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分析，譜峰值法結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構的阻尼比。

2.5 測試結果與分析

主橋13階固有振動特性參數包括實測和理論計算的固有振動頻率、模態阻尼比和振型特征。理論計算振型及實測模態如圖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 實測模態結果與分析

實測頻率均大于計算值，實測各階阻尼比在正常范圍內，如表1，2所示。

表1 主橋前15階成橋狀態模態實測與理論計算對比結果

表2 橋跨結構自振特性參數測試結果

3 結語

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，說明大橋實際的動力特性與理論預測值較接近。大橋在環境振動下得到的各階振動頻率比理論計算值稍大，說明橋跨結構動力剛度大于計算值。

主橋第1階豎向彎曲、扭轉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%。振動測試試驗結果表明，橋跨鋼箱梁結構實際整體剛度優于理論剛度，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、質量分布與設計基本一致，以上鋼箱梁特征參數對該橋梁后期營運養護具有一定的參考意義。