基于荷載試驗(yàn)的獨(dú)塔雙索面剛構(gòu)體系斜拉橋動(dòng)力特性研究與分析

陳寧凱　張偉

摘 要：?jiǎn)嗡p索面斜拉橋由于主跨跨徑較小，當(dāng)采用墩、塔、梁三相固結(jié)的剛構(gòu)體系時(shí)，橋梁整體剛度較大，需要特別關(guān)注該體系橋梁結(jié)構(gòu)整體動(dòng)力特性。本文通過(guò)對(duì)某獨(dú)塔雙索面剛構(gòu)體系斜拉橋進(jìn)行地脈動(dòng)試驗(yàn)、動(dòng)載試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析與研究，綜合分析該橋的動(dòng)力特性，為后續(xù)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：剛構(gòu)體系斜拉橋;特征值分析;動(dòng)載試驗(yàn);動(dòng)力特性

中圖分類號(hào)：U448.27? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2019）05-0105-03

單塔雙索面斜拉橋主跨一般比相同類型的雙塔三跨式的小，通常適用于跨越寬度較小的河流、山谷以及作為跨線橋，也可用主跨跨越河流，索塔及邊跨布置在河流一岸的方式。獨(dú)塔雙索面剛構(gòu)體系斜拉橋由于采用了索塔、橋墩以及主梁三者互為固結(jié)的方式，使主梁成為在跨內(nèi)具有多點(diǎn)彈性支撐的剛構(gòu)體系，這種體系的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)整體剛度較大，在行車荷載作用下主梁豎向撓度和塔柱縱向撓度均較小，同時(shí)非常適合懸臂澆筑施工，不用在塔梁間設(shè)置大噸位支座，剛構(gòu)體系斜拉橋整體剛度較大，對(duì)于動(dòng)力響應(yīng)較為敏感，所以對(duì)這類結(jié)構(gòu)體系的斜拉橋進(jìn)行動(dòng)力性能研究與分析是很有必要的。本文以某獨(dú)塔雙索面剛構(gòu)體系斜拉橋?yàn)橐劳?，通過(guò)荷載試驗(yàn)研究了獨(dú)塔雙索面剛構(gòu)體系斜拉橋的動(dòng)力性能，得出一些結(jié)論，為該類型斜拉橋后續(xù)研究提供參考。

1 工程概況

某獨(dú)塔空間雙索面斜拉橋位于廣東省江門(mén)市，橋跨組成為（44+103+180）m，橋面寬43m。橋梁布設(shè)于R=10000m 的豎曲線上。全橋設(shè)置62對(duì)124根斜拉索，梁上索距分別為5m和3m，塔上索距為1.8m。主塔為混凝土門(mén)型橋塔，橋面以上塔高85m（不含塔頂結(jié)構(gòu)）。主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，為單箱三室結(jié)構(gòu)，主橋全寬43m，梁高3.3m。該橋采用梁塔固結(jié)體系，在過(guò)渡墩和輔助墩頂設(shè)有支座。主塔采用混凝土門(mén)型橋塔，在主塔柱外側(cè)設(shè)置輔助塔。該橋荷載等級(jí)為按公路-Ⅰ級(jí)，雙向六車道汽車荷載計(jì)算。

2 特征值分析

橋梁結(jié)構(gòu)特征值計(jì)算主要有子空間迭代法、Lanczos和多重Ritz向量法，相對(duì)于Lanczos和多重Ritz向量法，子空間迭代法非常適合于獨(dú)塔空間雙索面斜拉橋這種具有大規(guī)模矩陣的有限元系統(tǒng)，可以高效的處理矩陣計(jì)算，快速得到特征值。本項(xiàng)目分析時(shí)采用MIDAS/CIVIL建立有限元模型，采用子空間迭代法計(jì)算特征值。將斜拉橋上部結(jié)構(gòu)主塔和主梁劃分為1461個(gè)梁?jiǎn)卧?、斜拉索劃分?24個(gè)桁架（只受拉）單元，共1531個(gè)節(jié)點(diǎn)。如圖1所示。

3 橋梁動(dòng)力特性試驗(yàn)方法

3.1 地脈動(dòng)試驗(yàn)

地脈動(dòng)試驗(yàn)是在橋面無(wú)任何交通荷載以及橋址附近無(wú)規(guī)則振源的情況下，測(cè)定由風(fēng)荷載、地脈動(dòng)、水流等隨機(jī)激勵(lì)引起的微幅振動(dòng)響應(yīng)，通過(guò)頻譜分析法和模態(tài)分析法確定其自振特性（自振頻率、振型）。橋跨結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)，采用超低頻水平和垂直拾震器，配DASP數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)、便攜計(jì)算機(jī)記錄輸出信號(hào)，并可實(shí)時(shí)進(jìn)行頻域、時(shí)域處理與分析。本次地脈動(dòng)試驗(yàn)共布設(shè)22個(gè)垂直測(cè)點(diǎn)，11個(gè)橫橋向測(cè)點(diǎn)和6個(gè)縱橋向測(cè)點(diǎn)布置于橋面兩側(cè)及索塔兩個(gè)截面，共分為2個(gè)批次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以主梁上7#及17～19#測(cè)點(diǎn)作為參考點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置圖見(jiàn)圖2。

3.2無(wú)障礙及有障礙行車試驗(yàn)

通過(guò)無(wú)障礙及有障礙行車試驗(yàn)采用強(qiáng)迫振動(dòng)法進(jìn)行動(dòng)載試驗(yàn)，測(cè)試試驗(yàn)橋梁截面動(dòng)撓度或動(dòng)應(yīng)變，從而計(jì)算分析該橋的動(dòng)力沖擊系數(shù)等參數(shù)。該橋動(dòng)應(yīng)變（動(dòng)撓度）測(cè)點(diǎn)設(shè)置在移動(dòng)荷載作用下中跨最大撓度截面，測(cè)點(diǎn)布置圖見(jiàn)圖3。行車試驗(yàn)主要包括以下工況：

（1）跳車激振試驗(yàn)：用1輛350kN的重車的前輪從約7㎝高的三角形墊塊上突然下落進(jìn)行激振，使橋梁產(chǎn)生有阻尼的自由衰減振動(dòng)，并通過(guò)頻譜分析法、波形分析法確定橋梁結(jié)構(gòu)的自振頻率和阻尼比。

（2）無(wú)障礙行車試驗(yàn)：在橋面無(wú)任何障礙的情況下，用2輛重車并排行駛（重約350kN），以5、10、20、30、40km/h的速度勻速通過(guò)橋跨結(jié)構(gòu)，測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)在行車作用下的動(dòng)力響應(yīng)（動(dòng)撓度、動(dòng)應(yīng)變及沖擊系數(shù)）;并利用車輛駛離橋面后引起的余振信號(hào)來(lái)識(shí)別橋梁結(jié)構(gòu)的自振頻率。

（3）有障礙行車試驗(yàn)：在橋跨結(jié)構(gòu)L/2橋面上設(shè)置高度為7cm的障礙物（其橫斷面為底寬40cm，矢高為7cm的弓形木板），用2輛重車并排行駛（重約350kN）以5、10、20km/h的速度勻速通過(guò)橋跨結(jié)構(gòu)，模擬車輛駛過(guò)橋面障礙物后對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響，以測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)在橋面不良狀態(tài)時(shí)運(yùn)行車輛荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)（動(dòng)撓度、動(dòng)應(yīng)變及沖擊系數(shù)）。

（4）剎車制動(dòng)試驗(yàn)：用2輛重車并排（重約350kN）以30、40km/h的速度在橋跨上勻速行駛，在中跨跨中部位緊急制動(dòng)，測(cè)試其動(dòng)力響應(yīng)。

4橋梁動(dòng)力特性試驗(yàn)結(jié)果

4.1 模態(tài)分析結(jié)果

模態(tài)分析是將線性定常系統(tǒng)振動(dòng)微分方程組中的物理坐標(biāo)變換為模態(tài)坐標(biāo)，使方程組解耦，成為一組以模態(tài)坐標(biāo)及模態(tài)參數(shù)描述的獨(dú)立方程，以便求出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。坐標(biāo)變換的變換矩陣為模態(tài)矩陣，其每列為模態(tài)振型。模態(tài)分析前10階結(jié)果匯總于表1。

通過(guò)模態(tài)測(cè)試結(jié)果分析可知：①自振頻率實(shí)測(cè)值均大于理論值，表明橋梁結(jié)構(gòu)各自由度方向?qū)嶋H剛度均大于理論剛度;②主梁1階橫彎頻率1.694Hz（階數(shù)6）出現(xiàn)在主塔縱彎和橫彎后;③主梁1階豎向扭轉(zhuǎn)頻率1.239Hz（階數(shù)4）出現(xiàn)在主梁2階反對(duì)稱豎彎（階數(shù)3）后;④主塔縱彎頻率0.519Hz（階數(shù)1）出現(xiàn)在主塔橫彎之前，說(shuō)明主塔的橫向剛度大于縱向剛度。

4.2無(wú)障礙及有障礙行車試驗(yàn)結(jié)果

沖擊系數(shù)的測(cè)試是根據(jù)控制面測(cè)點(diǎn)在行車試驗(yàn)時(shí)記錄的動(dòng)撓度或動(dòng)應(yīng)變曲線進(jìn)行分析處理，具體計(jì)算公式如下：