大跨徑懸索橋行車試驗分析

梁清清，盧星輔

（貴州省質安交通工程監控檢測中心有限責任公司，貴州 貴陽 550000）

大型橋梁或新建成橋梁完工后應進行生產鑒定性質的驗收荷載試驗，目的是對橋梁的質量和工作性能是否與設計相符作出檢驗與評價。通過不同速度的行車試驗，測試橋梁結構的振型、阻尼比、速度、加速度、動應變、沖擊系數等，檢驗結構在行車工況下的實際工作狀態，分析評價橋梁結構的動力響應及剛度是否滿足設計和有關規范的要求，為大橋的竣（交）工驗收、質量評定和運營管養等提供技術依據[1]-[3]。

1 工程概況

某橋主跨為680m 單跨鋼桁梁懸索橋，主纜成橋狀態計算跨度為（201+680+178）m。橋面寬27.0m，橫向布置為：0.5m（吊索區）+0.75m（上檢修道）+0.5m（外側護欄）+11.39m（行車道）+0.72m（內側護欄）+11.39m（行車道）+0.5m（外側護欄）+0.75m（上檢修道）+0.5m（吊索區）。道路等級為雙向四車道高速公路，設計荷載等級公路-I 級。

2 有限元計算分析

該橋主橋結構有限元理論計算分析，采用橋梁領域專業軟件MIDAS Civil2021，模型建立時，作如下考慮：

一期恒載：按結構各構件實際尺寸考慮，結構自重按實際尺寸計算；

二期恒載（橋面鋪裝、分隔帶、鋼護欄等）：以壓力荷載方式作用到板單元上；

汽車荷載：公路-I 級，根據設計文件本次荷載試驗按照雙向6 車道進行相關計算，考慮多車道橫向折減系數0.55。

該有限元模型（如圖1 所示）由4272 個節點、11369 個單元組成，其中梁單元8461 個，板單元2522 個，只受拉單元386 個。

通過對自重、二期換算荷載轉化為質量，對結構特征值進行分析，計算出橋梁結構的基頻，提取振型圖。根據基頻按照規范公式計算沖擊系數[4]，具體公式如下：

式中：f—結構基頻（Hz）；

μ—沖擊系數。

通過有限元軟件計算得出，該橋理論基頻為0.181Hz（如圖2 所示），根據規范計算出沖擊系數為0.05。

圖2 一階豎彎振型圖（f1=0.181Hz）

3 行車試驗分析

根據結構有限元模型計算結果，結合橋梁結構特點，按懸索橋選取行車試驗控制截面，所選行車試驗控制截面滿足規范有關橋梁行車試驗工況及測試截面要求。

3.1 控制截面選取

根據該橋結構特點，結合有限元模型，確定該橋行車試驗的測試截面，選取主跨L/8、L/4、3L/8、L/2 位置作為測試截面，各截面測點分別布置于上下游的上下弦桿處。

3.2 試驗工況

行車試驗工況：在橋面無任何障礙的情況下，采用2 輛載重汽車（單輛重約35t）以中央分隔帶為中心線兩邊對稱跑車，要求車輛盡可能保持同速、同步、同向行駛，以10～50km/h 的速度勻速跑車使橋梁產生受迫振動，測定橋跨結構在運行車輛荷載作用下的結構振動響應、動應變、動態增量以及動力反應時程曲線。

3.3 試驗結果分析

以不同的速度進行無障礙行車試驗，得到的試驗結果可以進行阻尼比、沖擊系數分析。

通過采集行車余振分析橋梁結構自振特性，根據J3 截面20km/h 速度跑車時程曲線計算得到阻尼比為1.42%。跑車時程曲線如圖3 所示，通過采集行車動應變分析橋梁結構行車動力響應，動力響應測試結果詳見表1。

表1 動力響應測試分析結果

圖3 J3 截面20km/h 速度跑車時程曲線

實測沖擊系隨車速的變化曲線如圖4 所示：

圖4 實測沖擊系數隨車速的變化曲線

實測部分行車動力響應如圖5～9 所示：

圖5 20km/h 行車試驗J1 下游下弦截面動力響應

圖6 30km/h 行車試驗J2 上游上弦截面動力響應

圖7 30km/h 行車試驗J3 下游下弦截面動力響應

圖8 10km/h 行車試驗J4 上游上弦截面動力響應

圖9 40km/h 行車試驗J4 下游下弦截面動力響應

4 結論

通過對橋梁結構在不同速度的無障礙行車試驗激勵下，測試得到了各個控制截面動應變、時程曲線以及沖擊系數。經過計算分析，該橋梁結構沖擊系數在0.008～0.048 之間，小于理論沖擊系數0.05。試驗結果表明，該橋的動力響應正常，滿足設計及規范要求。