雙塔中央索面結合梁斜拉橋動力特性研究

作者簡介：

戴青年（1995—），碩士，工程師，研究方向：橋梁結構安全。

摘要：文章根據雙塔中央索面結合梁斜拉橋的結構特點，對七都大橋北汊橋進行模態測試，并對該橋的動力性能進行評估。有限元模型分析結果顯示，該橋實測結果與理論分析較為吻合，主橋整體結構均質性較好，創造性的抗扭結構設計提供了良好抗扭剛度，所表現的動力特性符合設計結構體系特點。

關鍵詞：橋梁工程；模態分析；動力特性；雙塔中央索面；獨塔斜拉橋

中圖分類號：U448.27 A 46 146 3

0 引言

雙索面斜拉橋通過其布置在主梁兩側的拉索傳遞橋面荷載，利用拉索提升整體結構的抗風抗振能力，而主梁無特殊抗扭要求，在大跨度需求中被廣泛應用。目前索面布置在中間分隔帶上單索面斜拉橋數量逐年增多，其在行車時無風景視野遮擋的獨特美學效果，且避免了拉索交叉的視覺沖突，因此在市政工程中得到廣泛應用。由于拉索布置在主梁中軸線上，對主梁抗扭剛度的影響較小，主梁空間扭轉性能是否滿足要求則需要進行實際的模態測試，以便為橋梁安全提供數據支撐。

許多學者對中央索面斜拉橋結構進行了研究：馬耕［1］針對一座非對稱布置單索面大跨度獨塔斜拉橋的縮尺模型進行了風洞試驗，結果顯示這種橋型為典型的柔性斜拉橋，在設計過程中必須考慮抗風穩定性。申磊等［2］對某大跨徑雙塔單索面矮塔斜拉橋進行了實際模態測試，結果顯示前四階振型與計算振型吻合，但頻率值比理論計算值大，且實測阻尼比相對較小。余郁等［3］針對單塔單索面橋梁日益增大的交通量而導致的主梁寬度增大問題，通過有限元模型對此類橋梁進行空間效應分析，結果顯示單塔單索面超寬鋼箱梁的截面正應力分布剪力滯現象嚴重，而偏載作用下該現象更為明顯，需要建立相對精細的空間體系模型。

牛祥恒［4］研究發現單索面斜拉橋在偏載作用下，主梁扭轉畸變效應在結構計算中不可忽略。韓劍［5］探討了單索面鋼箱梁主梁結構形式斜拉橋和雙索面鋼板梁斜拉橋在靜荷載下的扭轉角差異，并給出了相應的結構體系建議。張奇［6］針對超寬單索面斜拉橋的支座布置及偏載作用下的結構響應進行了研究，并對主梁抗扭性能進行了評估。曾勇等［7］在研究大跨度單索面鋼桁梁雙塔斜拉橋的地震響應時發現，漂浮體系在該結構下的抗震性能欠缺，建議在進行此類橋梁設計時應綜合考慮單索面斜拉橋的體系選擇。

在現場模態實測方面，朱坤等［8］針對某雙塔單索面預應力混凝土斜拉橋進行了實橋測試，對橋梁實際承載能力進行了相應評估。但就目前來說，實際工程中對雙塔中央索面結合梁斜拉橋結構實測數據積累較少。因此，對七都大橋北汊橋實際橋梁結構進行實地模態測試，與數值數據進行分析對比，以評價橋梁結構的實際受力狀態是非常必要的。

本文以七都大橋北汊橋雙塔中央索面結合梁斜拉橋為背景，對其進行動力特性測試，并建立雙塔單索面斜拉橋有限元模型。運用有限元法對大橋進行模態分析，將理論值與實測值進行對比驗證，并對大橋動力特性及其空間抗扭性能進行分析和探討。

1 工程概況

七都大橋北汊橋為主跨360 m的雙塔中央雙索面疊合梁斜拉橋，如圖1、圖2所示。跨徑布置為（58+102+360+102+58）=680 m。主梁采用寬為37.62 m、高為3.5 m的整體單箱三室鋼-混疊合梁結構，雙向六車道，梁邊中跨比為0.44。索塔采用獨柱式圓形塔，塔柱高118.6 m。斜拉索布置于梁軸線附近的雙層中央索面，跨輔助墩位置選擇在距離橋塔中心線102 m處。該斜拉橋采用五跨連續半漂浮體系［9］。

2 理論分析

2.1 有限元模型

為了準確模擬斜拉橋的模態參數，利用ANSYS通用軟件構建了符合實際全橋結構的有限元分析模型。其中，主梁、索塔、橋墩結構采用Beam4空間梁單元進行建模，斜拉索采用Link10空間梁單元進行模擬，并與主梁、索塔進行剛性連接。半漂浮結構體系支座采用約束主梁豎向和橫橋向位移，未約束主梁縱橋向位移。建立ANSYS有限元模型如圖3所示。

2.2 有限元模態參數

基于全橋有限元模型對七都大橋北汊橋進行了動力特性分析。目前已有許多方法對有限元模型進行模態分析，其中Ritz迭代法、Lanczos法和子空間迭代法都是模態分析計算常用的計算方法，本文主要采用子空間迭代法來進行特征值的求解，即：

（［K］-ω2［M］）{Φ}={0}（1）

式（1）中［K］和［M］分別是結構的剛度矩陣和質量矩陣。通過上述有限元模型建立該橋的模態分析理論結果見表1，部分振型見表1中的圖示。由表1可知，主梁一階縱飄，表明相較于主梁的橫向側彎及豎彎，主梁縱向振動更容易發生，符合該橋體系結構的特點。

3 模態測試

3.1 模態參數設置

七都大橋主橋動力特性參數測試采用環境激勵法，利用峰值拾取和增強的頻域分解技術，從環境振動數據中提取模態參數，結合經典的系統識別技術，在橋面無跑車試驗情況下，測定七都大橋橋跨結構由于橋址處脈動、跑車等隨機荷載激振而引起的橋跨結構振動響應，進而識別橋梁固有頻率、振型及阻尼比等模態參數。脈動試驗以主跨為單位，測試跨按六等分布置測點，共計5個測點?，F場選用的設備是東方所INV9580A無線節點模態數據采集儀，該設備內置2個低頻拾振器。主跨選取6分點截面進行測試，在吊索位置布置橫向、豎向拾振器。全橋共計5個動力特性測試截面，測試截面分別為主跨1/6處、1/3處、1/2處、2/3處、5/6處，一次測量完成。6個測量點的七都大橋主橋動載動力特性測試截面俯視布置圖如下頁圖4所示，測點按照從左到右的編號原則，分別編號為A到E，關注豎向振動和橫向振動。

3.2 動力特性分析

采用東方所DASP采集系統進行主梁橋面加速度信號采集，通過在環境激勵下五個加速度傳感器的加速度信號，識別主梁的結構振動。本次脈動測試時長近1 h，采樣頻率為102.4 Hz。其中，豎向拾振器C加速度時程如圖5所示，通過對采集的測試信號進行頻譜分析的結果如圖6所示。

3.3 理論與實測對比

基于已建立的全橋有限元模型對斜拉橋的動力特性進行分析，將現場實測數據與理論結果進行對比，對比結果主振型模態及頻率見表2。

針對七都大橋北汊橋結構特點，采用ANSYS軟件建立全橋有限元分析模型，分析斜拉橋結構的頻率、振型、模態質量等動力特性，并與實橋脈動試驗的頻率測試結果進行對比分析。

由表2可知：

（1）根據實測分析數據與有限元分析結果進行對比驗證得出，斜拉橋主梁結構自振頻率計算值與實測值的誤差＜8%，驗證了七都大橋北汊橋全橋有限元模型的準確性。

（2）七都大橋北汊橋斜拉橋結構基頻有限元結果為0.179 Hz，振型為主梁一階縱飄。該結果顯示符合該斜拉橋半漂浮結構體系的振動特性；二階和三階振型分別為橋塔正對稱和反對稱橫彎，這表明橋塔相較于主梁剛度較柔，抗風抗振性能較低。

（3）根據有限元結果和實測數據顯示，一階正對稱豎彎頻率值小于一階橫彎頻率值，表明主梁橫向剛度相較于主梁豎向剛度較大。由于測量條件受限，扭轉振型測量受限，由有限元模型扭轉自振頻率為2.412 5 Hz得知，主梁結構扭轉性能優于抗彎性能。

（4）運行模態識別是通過在頻域中使用PP和FDD技術來進行的。關于阻尼比還需要進一步的討論（如表2所示），基于測量技術確定的阻尼比估算值在1%～3%，對于測試過程中存在車輛強迫振動，阻尼比的取值相對不穩定，但仍處于相對合理的區間。

4 結語

通過對中央索面雙塔斜拉橋進行現場模態測試，將七都橋實測模態參數與理論分析進行對比，得到以下結論：

（1）由于實測條件的限制，只能測量到梁中心線的振動數據。根據實測數據與數值模擬結果對比分析，誤差＜8%，結果較為吻合。該雙塔單索面半漂浮體系與塔梁固結體系相比，由于主梁縱向未設置約束，相比于橫向及豎向彎曲振動，主梁的縱向振動較容易發生。

（2）項目從優化結構約束體系、提升主梁抗扭剛度、適當加大拉索在主梁上的間距、創造性利用曲線型牛腿結構等方面來提升結構的抗扭剛度，從實測數據和有限元模擬前十階結果未出現扭轉振型來說，結構在扭轉性能方面較豎向、橫向和縱向性能表現良好。

（3）根據七都橋實測數據與理論分析的對比，該橋整體結構特性符合半漂浮斜拉橋體系設計，實測阻尼比在1%～3%，與同類單索面斜拉橋型基本一致，在正常范圍內。

（4）通過有限元模型和實測數據對比顯示，模態測試結果較為可靠，可為今后該橋長期健康監測和研究同類型橋梁結構的動力性能提供參考。

參考文獻

［1］馬 耕.獨塔單索面大跨度斜拉橋風洞試驗研究［J］.福建建筑，2018，241（7）：137-140.

［2］申 磊，胡 鋒，崔文濤.某大跨徑雙塔單索面矮塔斜拉橋動載試驗研究［J］.公路，2021，66（2）：124-128.

［3］余 郁，熊 文，薛玉波，等.單塔單索面鋼箱梁寬體斜拉橋空間效應分析［J］.公路交通科技，2018，35（8）：64-72.

［4］牛祥恒.單索面鋼箱梁斜拉橋的抗扭性能研究［D］.西安：長安大學，2014.

［5］韓 劍.單索面鋼箱梁斜拉橋扭轉性能研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2018.

［6］張 奇.單索面超寬斜拉橋支座受力狀態和布置方式對結構受力性能的影響研究［D］.重慶：重慶交通大學，2018.

［7］曾 勇，曾渝茼，譚紅梅.大跨度公軌兩用單索面鋼桁梁斜拉橋地震響應參數分析［J］.北京交通大學學報，2020，44（6）：44-50.

［8］朱 坤，秦 雙.單索面斜拉橋模態參數測試與分析［J］.交通科技，2017（6）：39-42.

［9］李 磊，李亮亮，王曉陽.七都大橋北汊橋主橋設計［J］.橋梁建設，2016，46（4）：103-108.

收稿日期：2022-09-30