銀洲湖特大橋動載試驗有限元數值分析與實測研究

王子成

(廣東省交通運輸建設工程質量檢測中心,廣東 廣州 510000)

0 引 言

為有效保障橋梁的安全性能和使用壽命,橋梁在建成之后需要進行一系列的試驗研究,其中包括脈動試驗、有障礙行車試驗和無障礙行車試驗等[1],以檢驗橋梁的正常使用情況及其對交通運輸需求的適應性。[2-5]

1 工程概況

中山—開平高速公路江門段銀洲湖特大橋跨越銀洲湖黃金水道,橋梁全長906 m,主航道橋是橋跨布置為(56.8+131.2+530+131.2+56.8)m的半漂浮體系混合式PK箱組合梁斜拉橋,主橋橋面凈寬2×15.25 m。橋梁跨度較大,兩主塔間主梁采用組合梁,中心梁高為3 500 mm,主梁采用PK型分離雙箱組合梁形式,結構形式為半封閉箱梁,混凝土橋面板通過剪力釘與鋼梁共同受力,鋼-混結合部位距離主塔8.75 m,而邊跨則采用現澆混凝土梁。銀洲湖特大橋主航道橋橋型布置圖如圖1所示。

圖1 銀洲湖特大橋主航道橋橋型布置圖(單位:cm)

2 橋梁結構特征分析

混凝土箱梁采用PK斷面,心線處梁高3.5 m,全寬36.4 m,外側為鋼結構風嘴與中跨組合梁風嘴對接。箱梁橫橋向底板水平,頂面設2%雙向橫坡,斜拉索在外腹板外側采用鋼錨箱形式錨固。混凝土箱梁在過渡墩與輔助墩之間以及輔助墩向主塔方向的4個節段內設置壓重,壓重采用容重為50 kN/m3的鐵砂混凝土。

3號索塔和4號索塔構造相同。索塔總高度為203.619 m。下、中、上塔柱為鋼筋混凝土構件結構。主塔橫截面為多邊形變截面形式,下塔柱塔底部為六邊形空心截面,橫橋向外輪廓長為8.50 m,橫橋向外側面斜率為1/8.93、內側面斜率為1/5.453,順橋向外輪廓長為11.50 m,順橋向側向斜率為1/61.686,中塔柱為五邊形空心截面,由下塔柱線性漸變而來,橫橋向外輪廓長為5.60 m,橫橋向外側面斜率為1/8.93、內側面斜率為1/5.453,順橋向外輪廓長為7.80 m,順橋向側向斜率為1/61.686,上塔柱為等截面五邊形空心截面,外輪廓尺寸為7 m(順橋向)×6.2 m(橫橋向)。上塔柱標準壁橫橋向厚0.9 m,順橋向厚1.1 m;中塔柱壁橫橋向厚1.1 m,順橋向厚1.1 m;下塔柱斷面為單箱雙室,塔壁橫橋向厚1.3 m,順橋向厚1.3 m,中間隔板厚為1.0 m。

索塔承臺橫橋向尺寸為60.1 m,順橋向尺寸為22.4 m,承臺厚7.0 m,承臺采用C30混凝土封底,厚2.0 m。承臺采用整體式大直徑群樁基礎,樁基數量為36根,樁基直徑為2.8 m,均為嵌巖樁,主3號墩樁長53 m,持力層為中風化花崗巖層,主4號墩樁長67 m,持力層為中風化花崗巖層。

3 橋梁現場動載試驗設計

為測試橋梁結構的動力學響應參數和承載性能,在現場試驗中主要設置3種動力學試驗,分別是無障礙行車試驗、有障礙行車試驗和脈動試驗。橋梁無障礙行車試驗目的是評估橋梁對正常交通負荷的承載能力和穩定性,測量車輛在橋梁上的行駛速度、加速度,橋梁振動及結構動應變情況,以評估橋梁的結構強度和剛度,并確保橋梁能夠安全地承載正常交通;橋梁有障礙行車試驗是在橋梁設置一系列的障礙物,如人行道、減速帶、隆起或凹陷的路面等,來測試車輛在橋梁上的行駛速度、加速度,橋梁振動及結構動應變情況,模擬車輛在真實道路情況下的行駛工況,本研究在主跨跨中截面處橋面上設置高7 cm的弓形板作為障礙物以模擬橋面不平整狀態,通過測試車輛在通過這些障礙物時的振動、扭轉和失穩情況,評估橋梁的動態響應和結構穩定性,以確保橋梁在實際道路條件下的安全性能;橋梁脈動試驗主要是指橋梁在無車輛通過時由風荷載、地脈動、水流等隨機激勵引起的微幅振動或變形,通過在橋梁上安裝傳感器測定結構的相關動力特性(如固有頻率、振型、阻尼比等),以分析橋梁結構在車輛荷載下的動態響應特性,通過脈動試驗,可以評估橋梁的疲勞性能,識別潛在的結構問題,指導橋梁的設計和改進。無障礙行車試驗、有障礙行車試驗采用的載重汽車自重為350 kN,數量為2臺,行車速度為10～60 km/h,通過動態應變儀測量主跨跨中主梁截面的動應變,由此分析得到相應的沖擊系數。行車試驗測點布置如圖2所示。

圖2 行車試驗測點布置圖(單位:cm)

根據結構理論振型特點,在橋梁主梁邊跨二分點、次邊跨四分點、主跨八分點及兩個主塔塔頂布置測點。脈動試驗于2022年12月24日—2022年12月25日進行,每次采樣時間為30 min。

4 橋梁現場動載試驗結果與數值模擬結果對比分析

4.1 橋梁現場脈動試驗結果分析

根據大橋的結構特征及材料屬性,采用DASP動力模態分析軟件進行橋梁前九階的自振模態分析,限于篇幅,研究列出了橋梁主梁一階自振模態計算結果,如圖3所示;橋梁現場脈動試驗主塔測點實測自譜圖及互譜圖,如圖4所示。根據測試的自振模態、自譜圖和互譜圖計算結構前三階的頻率,結果見表1。

表1 結構部分實測模態參數表

圖3 橋梁主梁一階自振模態計算結果

圖4 橋梁主塔測點自譜圖及橫向測點互譜圖

從表1可以看出,主梁自振模態階數越大,其數值模擬模態頻率和實測模態頻率均越大,總體而言,數值模擬得到的主梁前3階模態頻率均小于實測模態頻率,且自振模態階數越大,兩者的差值也越大;主梁實測阻尼比變化范圍為0.119%～0.869%,小于1%,表明斜拉橋主梁在受到無規則的風荷載、地脈動等隨機荷載作用時,其振動幅度相對較小,結構的阻尼比較低。

4.2 橋梁現場行車試驗結果分析

行車試驗于2022年12月25日15時至18時進行。由于每次測試時間均較短,可以忽略溫度變化對測試結果的影響。限于篇幅,圖5給出了行車試驗主跨跨中截面部分實測動應變時程曲線。從圖5中可以看出,不同行車速度條件下,有障礙行車試驗動應變曲線和無障礙行車試驗應變區曲線的變化規律相同,均呈現明顯的單峰特性,且動應變峰值出現的時間不一致。

圖5 橋梁無障礙行車試驗和有障礙行車試驗動應變實測結果

根據以上曲線,可獲得該截面相應的沖擊系數,沖擊系數μ可根據控制截面測點在行車試驗時記錄的動應變曲線進行分析處理而得。

沖擊系數計算結果見表2。

表2 主跨跨中行車試驗沖擊系數測定值

從表2可以看出,當兩輛重約350 kN的車輛以10～60 km/h車速駛過平整橋面時,該截面實測沖擊系數為0.017～0.034。而兩輛重約350 kN的重車以5～20 km/h車速駛過有障礙橋面時,該截面實測沖擊系數為0.092～0.138。從實測結果可以看出,在同一車速下,有障礙行車比無障礙行車試驗測的沖擊系數要大得多,說明橋面不平整對結構狀況影響較為不利。因此,在橋梁運營中保持橋面平整順暢是十分必要的。鑒于該橋橋型特殊,結構較為復雜,建議營運期間加強結構健康監測和定期檢查。

5 結 論

(1) 斜拉橋主梁在受到無規則的風荷載、地脈動等隨機荷載作用時,其振動幅度相對較小,結構的阻尼比較低。

(2) 不同行車速度下,有障礙行車試驗動應變曲線和無障礙行車試驗應變區曲線的變化規律相同,均呈現明顯的單峰特性,且動應變峰值出現的時間不一致。

(3) 在同一車速下,有障礙行車比無障礙行車試驗測的沖擊系數要大得多,說明橋面不平整對結構狀況影響較為不利,建議營運期間加強結構健康監測和定期檢查。