世界第一高鋼桁梁斜拉橋動力特性試驗研究

(1.貴州省質(zhì)安交通工程監(jiān)控檢測中心有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550000； 2.長沙理工大學(xué)，湖南 長沙 430000)

0 引言

隨著大跨徑橋梁的不斷發(fā)展，斜拉橋的應(yīng)用越來越多。斜拉橋主梁采用的結(jié)構(gòu)形式主要有混凝土箱梁、鋼箱梁、鋼桁梁等，而斜拉橋的動力特性參數(shù)是橋梁抗風(fēng)、抗震、車輛耦合振動的基礎(chǔ)。目前，一些學(xué)者對混凝土斜拉橋和鋼箱梁斜拉橋的動力特性進(jìn)行了研究，取得了一些成果[1-11]，而鋼桁梁斜拉橋本身數(shù)量較少，且動力特性研究也不多，因此對鋼桁梁斜拉橋的動力性能進(jìn)行研究及分析十分重要，本文以720 m鋼桁梁斜拉橋為例進(jìn)行動力特性分析及試驗研究，可驗證設(shè)計理論與計算方法的合理性，同時為后期管養(yǎng)提供技術(shù)資料。

1 橋梁概況

畢節(jié)至都格高速公路北盤江大橋是連接貴州、云南兩省的界河橋梁。橋位平面處于整體式路基主橋橋面寬27.9 m，引橋橋面寬24.5 m。主橋縱面位于縱坡i=+1%的直線，接R=36 001.8 m的凸形豎曲線，接縱坡i=-1%的直線段上，主橋中心樁號為K219+521.806。橋跨布置為：(2.4+80+88+88+720+88+88+80=1 232)m+(3×34=102)m+5 m=1 341.4 m。其中主橋采用(80+88+88+720+88+88+80)m雙塔雙索面體系的鋼桁梁斜拉橋，鋼桁梁結(jié)構(gòu)采用普拉特式桁架，橫向兩片主桁，中心間距為27.0 m，邊跨節(jié)段長度為8.0 m，中跨節(jié)段長度為12.0 m。索塔為塔柱、橫梁組成的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，索塔總高貴州岸3號索塔269 m，云南岸4號索塔246.5 m。

2 有限元模型的建立

2.1 主梁

由于橋面系的質(zhì)量集中了斜拉橋的大部分，正確模擬它是十分重要的。本文通過采用MIDAS/CIVIL2016來建立計算模型，將質(zhì)量和剛度系統(tǒng)均放在各自位置上，采用一致質(zhì)量矩陣和剛度來描述，正確反映主梁的質(zhì)量系統(tǒng)和剛度系統(tǒng)是該模式的優(yōu)點，建模方便，計算工作量也偏小，脊梁模式模擬比其它模式建模相對要簡單，劃分的節(jié)點、單元數(shù)量也較少，節(jié)省機(jī)時，計算速度較快。

2.2 主塔

橋梁主塔在MIDAS/CIVIL2016中采用三維梁單元模擬。梁單元的自然節(jié)點劃分主要依據(jù)截面變化處和索錨固點。大跨度斜拉橋中最為關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)部分是橋梁主塔，地震中最容易受到破壞的部分也是橋梁主塔。單元劃分的粗細(xì)決定了凝聚質(zhì)量的分布、振型的形狀和地震荷載的分布，從而會影響主塔的動力特性和內(nèi)力分布，因而單元劃分不宜太粗。

2.3 斜拉索

斜拉橋的斜拉索可以采用索單元，補(bǔ)充輸入單元無應(yīng)力索長Lu，或者索的初拉力，或水平力，也可以采用桁架單元模擬，若為只受拉桁架單元，補(bǔ)充輸入最小容許壓力，即只受拉桁架單元可以容許承受一定的壓力荷載，也可以用剛度為零或無窮小的梁單元模擬。考慮本橋的斜拉索較短，斜拉索采用空間桁架單元模擬，其彈性模量在計算中采用Ernst公式等效來考慮索的垂度引起的非線性。

2.4 模型參數(shù)

北盤江大橋有限元模型主要參數(shù)：主梁采用鋼桁梁Q345D：用于混凝土下檢修道和邊跨壓重塊的擋塊，主橋鋼下檢修道的縱梁、平聯(lián)、底座和支座、鋼錨梁、鋼桁梁上下弦桿，其屈服強(qiáng)度為345 MPa，彈性模量為2.06×105MPa，容重76.98 kN/m3。主橋橋塔采用C50混凝土，其彈性模量為3.45×104MPa，容重取26.0 kN/m3。主橋輔助墩、過渡墩墩身和墩帽采用C40混凝土，其彈性模量為3.25×104MPa，容重取26.0 kN/ m3。拉索采用7絲Φs15.2 mm鍍鋅鋼絞線，其彈性模量為EP=1.95×105MPa，標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度fpk=1 860 MPa，疲勞應(yīng)力幅值大于300 MPa。

2.5 邊界條件

主梁在主塔下橫梁、輔助墩處設(shè)置多向(雙向)球型鋼支座，采用彈性連接；過渡墩處設(shè)置一個單向活動支座和一個雙向活動支座；索塔處設(shè)橫向抗風(fēng)支座，采用剛性連接。主梁與拉索間的連接采用剛性連接，索塔內(nèi)鋼錨梁采用剛性連接。

2.6 模擬方式

北盤江大橋有限元模型中，斜拉索采用桁架單元模擬，考慮設(shè)計成橋索力下斜拉索垂度對拉索彈性模量的折減；塔、梁及墩等構(gòu)件均采用空間梁單元模擬；主跨橋面板單元采用板單元模擬；根據(jù)設(shè)計圖紙中的結(jié)構(gòu)布置和結(jié)構(gòu)尺寸將全橋結(jié)構(gòu)離散成7 601個節(jié)點、12 394個單元，其中梁單元10 610個，板單元1 560個，桁架單元224個。

3 動載試驗內(nèi)容及測點布置

3.1 試驗內(nèi)容

橋梁結(jié)構(gòu)動力特性，是橋梁結(jié)構(gòu)振動系統(tǒng)的基本特征，包含固有頻率、阻尼比和振型等，與橋梁的結(jié)構(gòu)形式、質(zhì)量分布、剛度、支撐情況等有關(guān)，與外部荷載無關(guān)。

動載試驗針對大橋主跨進(jìn)行，包括以下內(nèi)容：橋跨結(jié)構(gòu)自振特性(主要階次固有頻率)、行車激振試驗、剎車試驗。通過大量的實測數(shù)據(jù)信息，分析橋梁結(jié)構(gòu)振動的內(nèi)在規(guī)律，綜合評價橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性。

大橋動力特性測試主要有大橋固有頻率、阻尼比、振型，主橋中跨有測試截面動力響應(yīng)檢測，包括振動加速度、動應(yīng)變、沖擊系數(shù)，針對主橋共進(jìn)行了4種無障礙跑車試驗，2種有障礙跑車試驗，1種剎車試驗。測試工況見表1。

表1 動載試驗程序表Table1 Dynamicloadtestprocedure工況項目測試項目1脈動試驗振動加速度、頻率、振型2無障礙行車試驗結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)、動應(yīng)變、動態(tài)增量3無障礙行車試驗結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)、動應(yīng)變、動態(tài)增量4無障礙行車試驗結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)、動應(yīng)變、動態(tài)增量5無障礙行車試驗結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)、動應(yīng)變、動態(tài)增量6有障礙行車試驗結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)、動應(yīng)變、動態(tài)增量7有障礙行車試驗結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)、動應(yīng)變、動態(tài)增量8無障礙剎車試驗結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)、動應(yīng)變、動態(tài)增量車速/(km·h-1)車輛數(shù)/輛單輛車重/t行駛方向備注/////10233同向、同步行駛主橋30233同向、同步行駛主橋50233同向、同步行駛主橋70233同向、同步行駛主橋10233同向、同步行駛主橋30233同向、同步行駛主橋30233同向、同步行駛主橋

3.2 測試截面及測點布置

3.2.1脈動測試測點布置

脈動測試測點布置如圖1所示，選取主跨在十六等分點處布置測點，邊跨在四等分點處布置測點，參考點選在主跨的3/8跨處右側(cè)，共41個測試截面，每個測試截面分左、右側(cè)布置測點，每側(cè)41個測點，主梁共計82個測點。主塔在上、下橫梁處布設(shè)測試截面，每個側(cè)面各布置2個測點，3#、4#主塔共計8個測點，全橋共計90個測點，采用江蘇東華DH5907N無線橋梁模態(tài)測試分析系統(tǒng)進(jìn)行采集與分析。

3.2.2動力響應(yīng)測點布置

動應(yīng)變、加速度測試截面設(shè)在主橋加勁梁的主跨1/4L應(yīng)力截面、3/8L跨截面及1/2L跨截面，各測試截面在兩側(cè)上下弦桿處布置測點，見圖2、圖3。

圖2 主橋動力測試截面布置(單位：m)Figure 2 Dynamic test section layout of main bridge (Unit:m)

圖3 主橋動應(yīng)變、加速度測點布置(單位：m)Figure 3 Layout of dynamic strain and acceleration measurement points of main bridge(Unit:m)

4 測試結(jié)果

4.1 頻率、振型測試

采用脈動測試，將主橋前10階理論計算與實測結(jié)果進(jìn)行對比分析，見圖4。主橋脈動結(jié)構(gòu)自振特性測試結(jié)果匯總見表2。從實測結(jié)果可知，實測前10階頻率與計算值非常接近，顯示出較好的規(guī)律性。

表2 豎向模態(tài)測試結(jié)果Table2 Verticalmodaltestresults階次振型特征實測均值f實測/Hz計算值f計算/Hzf實測/f計算阻尼比/%1對稱側(cè)彎0.2010.1881.072.52對稱豎彎0.2730.2731.002.03縱彎+反對稱豎彎0.3930.3931.003.24反對稱橫彎0.5400.4941.090.85主塔對稱縱彎+對稱豎向彎曲0.5400.5231.031.36主塔反對稱縱彎0.5740.5511.040.17扭轉(zhuǎn)0.5980.5901.010.98主塔反對稱縱彎0.6270.6580.950.59對稱豎彎0.7520.7121.060.810反對稱豎彎0.8400.8620.970.5

4.2 動應(yīng)變及動力響應(yīng)測試

a.在橋面無障礙情況下，采用2臺加載車沿橋軸線為對稱軸勻速通過橋梁，車速為10、30、50、70 km/h，通過測定振動加速度、動應(yīng)變，測試研究不同車速作用下測試部位的動力增大效應(yīng)。

(a) 主橋1階振型(對稱，側(cè)向彎矩，理論f1=0.188，實測f1=0.201)

(b)主橋2階振型(對稱，豎向彎矩，理論f2=0.273，實測f2=0.273)

(c)主橋3階振型(反對稱，豎向彎矩，理論f3=0.393，實測f3=0.393)

(d)主橋4階振型(反對稱，橫向彎矩，理論f4=0.494，實測f4=0.540)

(e)主橋5階振型(對稱，主塔縱彎，豎向彎曲，理論f5=0.523，實測f5=0.540)

(f)主橋6階振型(反對稱，縱向彎矩，理論f6=0.551，實測f6=0.574)

(g)主橋7階振型(扭轉(zhuǎn)，理論f7=0.59，實測f7=0.598)

(h)主橋8階振型(反對稱、主塔縱彎，理論f8=0.627，實測f8=0.658)圖4 主橋前10階振型圖Figure 4 Top 10 form diagram of main bridge

(i)主橋9階振型(對稱、豎向彎矩，理論f9=0.712，實測f9=0.752)

(j)主橋10階振型(反對稱、豎向彎矩，理論f10=0.862，實測f10=0.840)續(xù)圖4 主橋前10階振型圖

b.在橋面特征部位(J9截面)設(shè)置障礙物，以10、30 km/h的速度碾過障礙物，模擬車輛在不平整橋面行駛時對大橋結(jié)構(gòu)的沖擊作用。

c.采用2臺加載車沿橋軸線為對稱軸以30 km/h勻速行駛，在指定位置(J7、J9截面)緊急剎車，考察在車輛制動作用下的動力響應(yīng)。

跑車和剎車動力響應(yīng)檢測結(jié)果見表3。

通過對動應(yīng)變跑車時程曲線計算得到測試截面的應(yīng)變增大系數(shù)，圖5為測試截面應(yīng)變增大系數(shù)隨車速的變化曲線，圖6為測試截面豎向振動加速度隨車速的變化曲線。

表3 跑車和剎車動力響應(yīng)檢測結(jié)果Table3 Testresultsofdynamicresponseofsportscarandbrake工況不同截面處豎向加速度ap-p/(m·s-2)下弦桿測點不同截面處最大動應(yīng)變μεJ7J8J9J7J8J92車10km/h跑車0.1220.0810.12536.228.036.42車30km/h跑車0.1430.1070.13539.324.436.62車50km/h跑車0.1540.1410.16236.824.737.62車70km/h跑車0.1720.1420.19134.826.537.12車10km/hJ9截面有障礙跑車0.1230.0820.13236.328.539.92車30km/hJ9截面有障礙跑車0.1220.1090.16839.425.641.52車10km/hJ7截面剎車試驗0.11931.12車30km/hJ7截面剎車試驗0.13928.12車10km/hJ9截面剎車試驗0.11635.62車30km/hJ9截面剎車試驗0.15035.6

圖5 測試截面應(yīng)變增大系數(shù)隨車速的變化曲線 Figure 5 Testing the curve of strain increase coefficient with vehicle speed

圖6 測試截面豎向振動加速度隨車速的變化曲線Figure6 Curveofverticalvibrationaccelerationwithvehiclespeed

5 結(jié)語

實測前10階頻率與計算值非常接近，說明北盤江大橋橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性理論計算與實際結(jié)構(gòu)動態(tài)受力較為一致；阻尼比在0.5%～3.2%之間，屬于小阻尼振動；中跨跨中截面無障礙行車試驗的沖擊系數(shù)在1.008～1.042，豎向振動加速度在0.125～0.191之間，中跨跨中截面有障礙行車試驗的沖擊系數(shù)在1.044～1.077之間，說明無障礙行車時汽車對大橋結(jié)構(gòu)的沖擊較小，汽車在橋面不平順即有障礙行車時對大橋結(jié)構(gòu)的沖擊明顯增大。