王子成

(廣東省交通運(yùn)輸建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)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(jìn)行一系列的試驗(yàn)研究,其中包括脈動(dòng)試驗(yàn)、有障礙行車試驗(yàn)和無(wú)障礙行車試驗(yàn)等[1],以檢驗(yàn)橋梁的正常使用情況及其對(duì)交通運(yùn)輸需求的適應(yīng)性。[2-5]

1 工程概況

中山—開(kāi)平高速公路江門(mén)段銀洲湖特大橋跨越銀洲湖黃金水道,橋梁全長(zhǎng)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(jié)構(gòu)形式為半封閉箱梁,混凝土橋面板通過(guò)剪力釘與鋼梁共同受力,鋼-混結(jié)合部位距離主塔8.75 m,而邊跨則采用現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(cè)為鋼結(jié)構(gòu)風(fēng)嘴與中跨組合梁風(fēng)嘴對(duì)接。箱梁橫橋向底板水平,頂面設(shè)2%雙向橫坡,斜拉索在外腹板外側(cè)采用鋼錨箱形式錨固。混凝土箱梁在過(guò)渡墩與輔助墩之間以及輔助墩向主塔方向的4個(gè)節(jié)段內(nèi)設(shè)置壓重,壓重采用容重為50 kN/m3的鐵砂混凝土。

3號(hào)索塔和4號(hào)索塔構(gòu)造相同。索塔總高度為203.619 m。下、中、上塔柱為鋼筋混凝土構(gòu)件結(jié)構(gòu)。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(zhǎng)為8.50 m,橫橋向外側(cè)面斜率為1/8.93、內(nèi)側(cè)面斜率為1/5.453,順橋向外輪廓長(zhǎng)為11.50 m,順橋向側(cè)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(lái),橫橋向外輪廓長(zhǎng)為5.60 m,橫橋向外側(cè)面斜率為1/8.93、內(nèi)側(cè)面斜率為1/5.453,順橋向外輪廓長(zhǎng)為7.80 m,順橋向側(cè)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(biāo)準(zhǔn)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(tái)橫橋向尺寸為60.1 m,順橋向尺寸為22.4 m,承臺(tái)厚7.0 m,承臺(tái)采用C30混凝土封底,厚2.0 m。承臺(tái)采用整體式大直徑群樁基礎(chǔ),樁基數(shù)量為36根,樁基直徑為2.8 m,均為嵌巖樁,主3號(hào)墩樁長(zhǎng)53 m,持力層為中風(fēng)化花崗巖層,主4號(hào)墩樁長(zhǎng)67 m,持力層為中風(fēng)化花崗巖層。

3 橋梁現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)載試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為測(cè)試橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)參數(shù)和承載性能,在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中主要設(shè)置3種動(dòng)力學(xué)試驗(yàn),分別是無(wú)障礙行車試驗(yàn)、有障礙行車試驗(yàn)和脈動(dòng)試驗(yàn)。橋梁無(wú)障礙行車試驗(yàn)?zāi)康氖窃u(píng)估橋梁對(duì)正常交通負(fù)荷的承載能力和穩(wěn)定性,測(cè)量車輛在橋梁上的行駛速度、加速度,橋梁振動(dòng)及結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)變情況,以評(píng)估橋梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(yàn)是在橋梁設(shè)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(lái)測(cè)試車輛在橋梁上的行駛速度、加速度,橋梁振動(dòng)及結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)變情況,模擬車輛在真實(shí)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(shè)置高7 cm的弓形板作為障礙物以模擬橋面不平整狀態(tài),通過(guò)測(cè)試車輛在通過(guò)這些障礙物時(shí)的振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)和失穩(wěn)情況,評(píng)估橋梁的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,以確保橋梁在實(shí)際道路條件下的安全性能;橋梁脈動(dòng)試驗(yàn)主要是指橋梁在無(wú)車輛通過(guò)時(shí)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)或變形,通過(guò)在橋梁上安裝傳感器測(cè)定結(jié)構(gòu)的相關(guān)動(dòng)力特性(如固有頻率、振型、阻尼比等),以分析橋梁結(jié)構(gòu)在車輛荷載下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性,通過(guò)脈動(dòng)試驗(yàn),可以評(píng)估橋梁的疲勞性能,識(shí)別潛在的結(jié)構(gòu)問(wèn)題,指導(dǎo)橋梁的設(shè)計(jì)和改進(jìn)。無(wú)障礙行車試驗(yàn)、有障礙行車試驗(yàn)采用的載重汽車自重為350 kN,數(shù)量為2臺(tái),行車速度為10～60 km/h,通過(guò)動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀測(cè)量主跨跨中主梁截面的動(dòng)應(yīng)變,由此分析得到相應(yīng)的沖擊系數(shù)。行車試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 行車試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置圖(單位:cm)

根據(jù)結(jié)構(gòu)理論振型特點(diǎn),在橋梁主梁邊跨二分點(diǎn)、次邊跨四分點(diǎn)、主跨八分點(diǎn)及兩個(gè)主塔塔頂布置測(cè)點(diǎn)。脈動(dòng)試驗(yàn)于2022年12月24日—2022年12月25日進(jìn)行,每次采樣時(shí)間為30 min。

4 橋梁現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析

4.1 橋梁現(xiàn)場(chǎng)脈動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)大橋的結(jié)構(gòu)特征及材料屬性,采用DASP動(dòng)力模態(tài)分析軟件進(jìn)行橋梁前九階的自振模態(tài)分析,限于篇幅,研究列出了橋梁主梁一階自振模態(tài)計(jì)算結(jié)果,如圖3所示;橋梁現(xiàn)場(chǎng)脈動(dòng)試驗(yàn)主塔測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)自譜圖及互譜圖,如圖4所示。根據(jù)測(cè)試的自振模態(tài)、自譜圖和互譜圖計(jì)算結(jié)構(gòu)前三階的頻率,結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 結(jié)構(gòu)部分實(shí)測(cè)模態(tài)參數(shù)表

圖3 橋梁主梁一階自振模態(tài)計(jì)算結(jié)果

圖4 橋梁主塔測(cè)點(diǎn)自譜圖及橫向測(cè)點(diǎn)互譜圖

從表1可以看出,主梁自振模態(tài)階數(shù)越大,其數(shù)值模擬模態(tài)頻率和實(shí)測(cè)模態(tài)頻率均越大,總體而言,數(shù)值模擬得到的主梁前3階模態(tài)頻率均小于實(shí)測(cè)模態(tài)頻率,且自振模態(tài)階數(shù)越大,兩者的差值也越大;主梁實(shí)測(cè)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(wú)規(guī)則的風(fēng)荷載、地脈動(dòng)等隨機(jī)荷載作用時(shí),其振動(dòng)幅度相對(duì)較小,結(jié)構(gòu)的阻尼比較低。

4.2 橋梁現(xiàn)場(chǎng)行車試驗(yàn)結(jié)果分析

行車試驗(yàn)于2022年12月25日15時(shí)至18時(shí)進(jìn)行。由于每次測(cè)試時(shí)間均較短,可以忽略溫度變化對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。限于篇幅,圖5給出了行車試驗(yàn)主跨跨中截面部分實(shí)測(cè)動(dòng)應(yīng)變時(shí)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(yàn)動(dòng)應(yīng)變曲線和無(wú)障礙行車試驗(yàn)應(yīng)變區(qū)曲線的變化規(guī)律相同,均呈現(xiàn)明顯的單峰特性,且動(dòng)應(yīng)變峰值出現(xiàn)的時(shí)間不一致。

圖5 橋梁無(wú)障礙行車試驗(yàn)和有障礙行車試驗(yàn)動(dòng)應(yīng)變實(shí)測(cè)結(jié)果

根據(jù)以上曲線,可獲得該截面相應(yīng)的沖擊系數(shù),沖擊系數(shù)μ可根據(jù)控制截面測(cè)點(diǎn)在行車試驗(yàn)時(shí)記錄的動(dòng)應(yīng)變曲線進(jìn)行分析處理而得。

沖擊系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 主跨跨中行車試驗(yàn)沖擊系數(shù)測(cè)定值

從表2可以看出,當(dāng)兩輛重約350 kN的車輛以10～60 km/h車速駛過(guò)平整橋面時(shí),該截面實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)為0.017～0.034。而兩輛重約350 kN的重車以5～20 km/h車速駛過(guò)有障礙橋面時(shí),該截面實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)為0.092～0.138。從實(shí)測(cè)結(jié)果可以看出,在同一車速下,有障礙行車比無(wú)障礙行車試驗(yàn)測(cè)的沖擊系數(shù)要大得多,說(shuō)明橋面不平整對(duì)結(jié)構(gòu)狀況影響較為不利。因此,在橋梁運(yùn)營(yíng)中保持橋面平整順暢是十分必要的。鑒于該橋橋型特殊,結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,建議營(yíng)運(yùn)期間加強(qiáng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和定期檢查。

5 結(jié) 論

(1) 斜拉橋主梁在受到無(wú)規(guī)則的風(fēng)荷載、地脈動(dòng)等隨機(jī)荷載作用時(shí),其振動(dòng)幅度相對(duì)較小,結(jié)構(gòu)的阻尼比較低。

(2) 不同行車速度下,有障礙行車試驗(yàn)動(dòng)應(yīng)變曲線和無(wú)障礙行車試驗(yàn)應(yīng)變區(qū)曲線的變化規(guī)律相同,均呈現(xiàn)明顯的單峰特性,且動(dòng)應(yīng)變峰值出現(xiàn)的時(shí)間不一致。

(3) 在同一車速下,有障礙行車比無(wú)障礙行車試驗(yàn)測(cè)的沖擊系數(shù)要大得多,說(shuō)明橋面不平整對(duì)結(jié)構(gòu)狀況影響較為不利,建議營(yíng)運(yùn)期間加強(qiáng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和定期檢查。