基于動(dòng)載試驗(yàn)的斜拉橋整體安全性研究

(湖南聯(lián)智橋隧技術(shù)有限公司， 湖南 長沙 410000)

0 引言

斜拉橋是以斜拉索、索塔和主梁作為主要受力結(jié)構(gòu)的多點(diǎn)彈性支撐的多次超靜定結(jié)構(gòu)，在基本結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定的情況下，全橋的整體動(dòng)力性能，通過以上3個(gè)主要受力結(jié)構(gòu)來體現(xiàn)，具備良好的動(dòng)力性能，可延長斜拉索的使用壽命，增加結(jié)構(gòu)整體安全性[1]。橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性取決于結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度分布，是橋梁運(yùn)載試驗(yàn)的核心內(nèi)容之一，也是橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)和抗震研究的基礎(chǔ)，可作為檢驗(yàn)橋梁施工質(zhì)量、反映施工與設(shè)計(jì)一致性的有效手段，為橋梁以后的運(yùn)營、養(yǎng)護(hù)和管理提供必要的數(shù)據(jù)和資料[2-4]。橋梁自振特性測試在成橋的理論動(dòng)力計(jì)算后進(jìn)行，對傳感器位置和數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化布置與分配，對斜拉橋的梁、塔分開布點(diǎn)測試，盡量避開理論計(jì)算振動(dòng)的節(jié)點(diǎn)位置，最后得到結(jié)構(gòu)的振型、相應(yīng)的頻率和模態(tài)阻尼比[5-7]。檢驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)的正常作用極限工作狀態(tài)是否滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，為大橋的竣工驗(yàn)收、質(zhì)量評定和運(yùn)營管養(yǎng)等提供技術(shù)依據(jù)[8-9]。本文通過載試驗(yàn)得出某斜拉橋梁固有振動(dòng)特性以及車輛不同狀態(tài)(包括不同車速正常行駛、車輛制動(dòng)等狀態(tài))行駛時(shí)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)，動(dòng)力數(shù)據(jù)分析表明，該橋能夠在運(yùn)營階段達(dá)到結(jié)構(gòu)整體安全性，并且明確了該橋運(yùn)營階段的注意事項(xiàng)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 無障礙行車試驗(yàn)

無障礙行車試驗(yàn)過程中所使用的車輛與靜載試驗(yàn)的車輛為同一型號，總重為35 t。采用1輛車(單車)和2輛車(雙車)分別以20、40、60、80 km/h的速度勻速通過大橋。無障礙行車試驗(yàn)采用了動(dòng)應(yīng)變方式采集數(shù)據(jù),動(dòng)應(yīng)變測點(diǎn)分別布置在中跨跨中底緣、北搭邊跨跨中底緣、南塔第1跨跨中底緣。

1.2 剎車試驗(yàn)

剎車試驗(yàn)過程中所使用的車輛總重為35 t。采用動(dòng)應(yīng)變方式采集數(shù)據(jù),測點(diǎn)分別布置在中跨跨中梁底下緣和北塔邊跨梁底下緣。1輛試驗(yàn)車輛分別以20、30 km/h勻速行駛至上述測試斷面，在上述2測試斷面剎車減速至0。

1.3 脈動(dòng)試驗(yàn)

采用脈動(dòng)試驗(yàn)方式測試斜拉橋的動(dòng)力特性。脈動(dòng)試驗(yàn)是通過在橋面和主塔上布置高靈敏度的傳感器，較長時(shí)間記錄結(jié)構(gòu)由環(huán)境激勵(lì)(風(fēng)、水流、機(jī)動(dòng)車、人的活動(dòng)等)引起的振動(dòng)，然后進(jìn)行FFT(Fast Fourier Transform)分析，求出結(jié)構(gòu)自振特性的一種方法。對響應(yīng)信號進(jìn)行多次功率譜分析，得到橋梁的各階自振頻率，再利用各個(gè)測點(diǎn)的振幅和相位關(guān)系，求得各階頻率相應(yīng)的振型，最后利用幅頻圖上各峰值處的半功率譜帶寬確定各階模態(tài)阻尼比。

1.4 動(dòng)載試驗(yàn)步驟

動(dòng)載試驗(yàn)過程如圖1所示。

圖1 動(dòng)載試驗(yàn)流程圖

2 工程概況及有限元模型

2.1 工程概況

某橋?yàn)殡p塔雙索面對稱預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，橋跨布置為(150+328+150)m。索塔高度為128 m，采用空心箱型單室斷面，主梁截面為PK型斷面，邊、中跨主梁一共分為22個(gè)節(jié)段。公路等級為一級公路兼城市道路，設(shè)計(jì)行車速度為80 km/h，橋梁寬度32.5 m，雙向6車道，行車道寬度3.75 m，設(shè)計(jì)荷載為公路一級。橫向測點(diǎn)布置圖和縱向測點(diǎn)布置圖分別如圖2、圖3所示。

2.2 有限元模型

全橋模型采用通用有限元計(jì)算軟件Midas Civil建立,模擬不同工況下全橋在動(dòng)荷載作用下各個(gè)關(guān)鍵測點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變變化，為荷載試驗(yàn)提供理論計(jì)算依據(jù)。根據(jù)已有的各項(xiàng)試驗(yàn)檢測規(guī)程進(jìn)行數(shù)據(jù)對比分析。有限元模型離散圖如圖4所示。

圖2 橫向測點(diǎn)布置圖

圖3 橋型及縱向測點(diǎn)布置圖(單位： cm)

圖4 有限元模型離散圖

3 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 行車工況試驗(yàn)

對全橋不同工況下各個(gè)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，取跨中測點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與有限元理論計(jì)算結(jié)果為例，根據(jù)動(dòng)應(yīng)變結(jié)果得出動(dòng)應(yīng)變增量系數(shù)，如表1所示。

表1 中跨跨中截面動(dòng)載測試結(jié)果工況動(dòng)應(yīng)變動(dòng)態(tài)應(yīng)變增量系數(shù)20 km/h無障礙行車24.40με1.0481輛車40 km/h無障礙行車21.87με1.02960 km/h無障礙行車20.1με1.03380 km/h無障礙行車19.5με1.03420 km/h無障礙行車35.84με1.0262輛車(同側(cè))40 km/h無障礙行車39.48με1.03260 km/h無障礙行車38.78με1.0391輛車20 km/h剎車24.29με1.06730 km/h剎車20.04με1.065

部分動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)程曲線圖如圖5、圖6所示。

由表1可知：單臺車無障礙行車試驗(yàn)時(shí)主橋中跨跨中截面箱梁最大動(dòng)態(tài)應(yīng)變增量系數(shù)為1.048，小于1.05；2臺車同幅同側(cè)無障礙行車試驗(yàn)時(shí)最大動(dòng)態(tài)應(yīng)變增量系數(shù)為1.039，小于1.05。在剎車試驗(yàn)測試工況中，主跨跨中截面最大動(dòng)態(tài)應(yīng)變增量系數(shù)為1.067。動(dòng)態(tài)增量系數(shù)與時(shí)程曲線表明：主橋各試驗(yàn)段在車輛行駛以及緊急制動(dòng)時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)反應(yīng)平穩(wěn)，引起橋梁振動(dòng)較小，試驗(yàn)過程中無異?，F(xiàn)象發(fā)生。

3.2 脈動(dòng)試驗(yàn)

主橋前15階主振型的頻率理論值與試驗(yàn)值的比較如表2所示。

圖5 1輛車60 km/h無障礙行車時(shí)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)程曲線

圖6 2輛車20 km/h無障礙行車時(shí)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)程曲線

表2 斜拉橋固有動(dòng)力特性實(shí)測值與理論值比較表階次理論計(jì)算結(jié)果實(shí)測結(jié)果頻率/Hz主振型頻率/Hz主振型階次理論計(jì)算結(jié)果實(shí)測結(jié)果頻率/Hz主振型頻率/Hz主振型10.103 088主梁縱漂——20.196 247主梁橫彎0.219主梁橫彎30.233 447主梁豎彎0.238主梁豎彎40.300 072主梁豎彎0.289主梁豎彎50.346 571北塔橫彎0.336主梁豎彎60.351 404南塔橫彎0.430主塔橫彎70.427 849主梁豎彎0.442主梁橫彎80.514 667主梁豎彎0.469主塔橫彎90.527 704主梁橫彎0.514主梁豎彎100.575 537主梁豎彎0.573主梁橫彎110.605 290主梁豎彎0.599主梁橫彎120.610 761主梁扭轉(zhuǎn)0.622主梁扭轉(zhuǎn)

脈動(dòng)試驗(yàn)測試結(jié)果顯示：由于支座較大的水平摩阻力效應(yīng)，模態(tài)試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果中并未見主梁第1階縱漂振型出現(xiàn)；實(shí)測第2階主梁橫彎、第3階主梁豎彎及第12階主梁扭轉(zhuǎn)頻率均比理論計(jì)算值大，主橋結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能良好。

4 結(jié)論

該斜拉橋主橋的結(jié)構(gòu)整體受力性能良好，已達(dá)到相應(yīng)的規(guī)范要求，且大多數(shù)反映結(jié)構(gòu)受力變形性能的特征指標(biāo)均優(yōu)于規(guī)范要求。在運(yùn)營荷載作用下結(jié)構(gòu)整體上具有良好的安全性能和使用性能，能夠滿足正常使用荷載的要求。建議加強(qiáng)運(yùn)營階段的橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測和維修保養(yǎng)；嚴(yán)格限制超載，確保大橋的安全性和耐久性。