獨塔雙索面混合梁斜拉橋耦合荷載作用下動載試驗分析

楊善武

(合肥工大工程試驗檢測有限責任公司，安徽 合肥 230051)

0 引 言

為了適應經濟的發展，一方面越來越多的橋梁設計成了公軌兩用橋梁，另一方面由于交通流量急劇增加，新的交通工具也在不斷地投入使用，如城市中越來越多的輕軌車輛。

當大型貨車和軌道交通列車(包括火車、輕軌車)在大跨度橋梁上運行時，會明顯影響橋梁局部動力性能和疲勞壽命。而橋梁的振動也會影響車輛和軌道交通的安全運行和車上人員的舒適度，使其成為評價結構動力設計參數是否合理的重要考慮因素。因此，對車輛-橋梁耦合系統進行分析，確保在車輛運行時橋梁結構的安全使用及車輛運行時的舒適與安全可靠，并為橋梁設計提供某些參數的理論依據，對于當今橋梁的維護和設計建造具有十分重要的理論和實際意義。

橋梁在耦合作用下的動載試驗就是通過對橋梁結構進行直接加載測試的一項科學試驗，目的是通過動載試驗直接了解其受力狀態，同時可通過荷載試驗了解在通常情況下難以發現的病害，用于檢驗設計和施工的質量。通過荷載試驗，獲取科學技術數據，掌握橋梁的整體工作性能，獲得結構的動力參數，對結構狀況進行評估，測定橋梁結構在軌道列車荷載及車輛荷載同步作用下的動態響應，通過實驗結果，判斷橋梁結構的整體受力分析能否滿足設計文件和現行規范的技術要求，檢驗預期的設計效果，反映橋梁綜合施工質量，驗證橋梁結構的安全性、可靠性，為橋梁的后期養護和管理提供可靠的資料[1-4]。

1 測試內容

動載試驗主要測試內容包括模態試驗及車輛激勵試驗。模態試驗主要采集橋梁結構的自振頻率信息，并分析計算橋梁結構的自振頻率、振型、阻尼。車輛激勵試驗主要測試橋梁主橋在軌道專用列車及載重汽車荷載作用下的沖擊系數、動力響應[5-7]。具體測試內容如下：

(1) 建立寬箱主梁和軌道梁一體的斜拉橋合理的空間計算模型，計算、分析橋梁動力特性，主要分析橋梁各階頻率和振型，對結構動力特性做出評價；

(2) 根據動力分析與測試的結果，對主梁結構剛度提出合理的評價。

(3) 分析各種荷載工況下，車輛和橋梁動力響應，并參照合適的規范進行評價。

2 工程實例

2.1 橋梁概況

某橋為一座公軌兩用獨塔雙索面斜拉橋，建于2019年，主橋為跨徑(96+66)m獨塔雙索面混合梁斜拉橋，塔、梁、墩固結體系，不設輔助墩。索塔采用鉆石形雙塔柱橋塔；主梁采用雙邊箱混合梁主梁(主跨側組合梁，邊跨側混凝土梁)；斜拉索采用平行鋼絲成品索，平行扇形雙索面。立面布置上，豎曲線半徑為1 800 m，錨跨縱坡為2.5%，主跨最大縱坡為2.83%。主橋范圍內平曲線為直線。主橋主跨側標準橫斷面布置為：0.25 m(欄桿)+2.5 m(人行道)+3.5 m(非機動車道)+0.25 m(欄桿)+2.25 m(分隔帶索區)+0.5 m(防撞護欄)+8 m(機動車道)+0.5 m(防撞護欄)+8.5 m(預留軌交凈寬)+0.5 m(防撞護欄)+8 m(機動車道)+0.5 m(防撞護欄)+2.25 m(分隔帶索區)+0.25 m(欄桿)+3.5 m(非機動車道)+2.5 m(人行道)+0.25 m(欄桿)=44 m。

主跨施工階段劃分為11個節段，節段長度為8 m，其中1號段為鋼-混結合段，后面10個節段采用鋼-混組合結構，混凝土橋面板采用C50混凝土，鋼結構采用Q345qD鋼材，橋面板與鋼主梁頂板采用焊釘連接件連接；0號段(塔-墩-梁結合段)及錨跨采用預應力混凝土結構，混凝土強度等級為C50，其中0號段長為16 m，錨跨設置2個現澆段，長度分別為26 m和30 m，中間設置2 m合龍段。

主跨鋼-混組合梁：主跨采用分離式雙邊箱組合梁，橫斷面寬度44 m，主梁中心梁高2.7 m。預制混凝土橋面板厚度為26 cm，寬度為41.4 m，每側各留有1.3 m放置過橋管線；邊箱箱室寬度為7 m，頂板厚度為25 mm，底板厚度為20 mm，邊腹板厚度為20 mm，中腹板厚度為30 mm，橫斷面兩側各留有3.75 m挑梁。雙邊箱之間設置一道工字形小縱梁。橫隔梁標準間距為4.0 m，其中不設承軌臺的橫梁腹板厚度為20 mm，頂板寬度為600 mm，厚度為25 mm，底板寬度為860 mm，厚度為35 mm；設置承軌臺的橫梁腹板厚度為25 mm，頂板寬度為600 mm，厚度為35 mm，底板寬度為1 200 mm，厚度為45 mm；兩橫隔梁間設置腹板抗剪豎向加勁肋。

主跨鋼-混結合段：鋼-混結合段長度為2.0 m，在組合梁側設置2.0 m的鋼梁加強段，采用填充混凝土結合方式，梁段之間采用實心混凝土橫梁連接，鋼梁底做成雙壁結構形成鋼格室埋入混凝土內，頂板、腹板采用圓柱頭焊釘連接過渡，通過張拉縱、橫向預應力使得結合段處于三向受壓狀態。

索塔為鋼筋混凝土構件，混凝土強度等級為C50。其外形為鉆石形塔柱，縱向為單柱式，橫斷面上共布置兩個塔柱，兩塔柱中心距為29.5 m，索塔總高54.765 m，橋面以上索塔塔高44.6 m，塔高/主跨=0.465；以主梁為界，將塔柱劃分為上、下兩部分。

斜拉索為平行扇形雙索面布置。主跨側共10對索，梁上標準間距8 m；由于采用交叉錨方式，每1根主跨索對應2根錨跨索，錨跨段標準索間距6.0 m，在配重段索間距為4.0 m。塔上標準索距為2.0 m，最大索距為2.629 m。斜拉索內涂有防腐膩脂，鋼絲護套為雙層熱擠PE形成，內層為黑色，外層為彩色。為減小風雨振，在PE表面設有風雨線，在每根斜拉索上兩端都設有減震器，在斜拉索下端2.0 m范圍內外包不銹鋼管，以保護斜拉索不受破壞。根據索力大小，每根拉索由139根到337根Φ7 mm高強鋼絲組成，鋼絲標準強度為1 670 MPa。

道路等級：城市主干道；單軌交通80 km/h，主線城市道路60 km/h，雙向四車道，汽車荷載為城-A級，兩側設人行和非機動車道。

單軌交通荷載由軌交設計單位提資并符合國家和相關行業規范、標準；人群及非機動車荷載：根據《城市橋梁設計規范》(CJJ 11—2011)取值；汽車荷載為城-A級。

2.2 動載試驗

2.2.1 索力測量

斜拉索在各種環境因素的作用下通常會激發起微小的振動，通過使用高靈敏度的拾振傳感器及其相應的數據采集設備和分析軟件，由結構的振動分析出若干階自振頻率，最后由索力與其自振頻率、邊界條件、剛度等的關系式通過頻率來反算索力。檢測方法采用頻測法，抽檢比例為100%。

2.2.2 脈動試驗

(1) 測試方法：在橋面無任何交通荷載以及橋址附近無規則振源的情況下，通過高靈敏度動力測試系統測定橋址處風荷載、地脈動、水流等隨機荷載激振而引起橋跨結構的微幅振動響應，測得結構的自振頻率、振型和阻尼比等動力學特征[8-10]。

(2) 測點布置：加速度傳感器的布設在橋面機動車道外側，根據該橋結構振型特征，主梁兩側共布置13×2=26個測點，測點布置如圖1所示。

圖1 主橋脈動試驗測點縱向布置圖(單位：m)

圖2 主橋動應變、動撓度測試截面位置圖(單位：m)

圖3 11截面動應變、動撓度測試傳感器橫向布置圖

2.2.3 車輛激勵試驗

(1) 測點布置：根據橋梁振型特征，主橋車輛激勵試驗測試截面如圖2所示，1-1截面動應變、動撓度測點布置位置如圖3所示。

(2) 加載車型：車輛激勵試驗加載車型為軌道專用列車(滿載75 t)及后八輪載重汽車(44 t),進行現場測試。通過現場查勘，為模擬軌道列車均布荷載，本次軌道列車的配載，采用密封沙袋進行配重，每輛軌道列車配載75 t。

(3) 試驗加載工況：動載試驗時選擇1輛后八輪載重汽車及2輛軌道專用列車在規定路線行駛進行測試。上述加載車輛同向同步行駛，在規定時速下勻速通過橋跨結構，測定測試截面處的動位移、動應變時間歷程曲線。車輛激勵試驗各加載工況見表1。

表1 車輛激勵試驗加載工況匯總表

2.3 數據處理

對試驗結果進行整理時，應注意消除系統誤差，舍棄因過失誤差產生的可疑數據。對動載時域波形應先進行預檢，去掉奇異項，修正零線漂移、趨勢項等誤差，以確保數據分析的準確性和真實性。

2.3.1 拉索索力

將拉索視為弦的振動，在拉索上任意截取單元體，其基本平衡方程為：

在拉索兩端為鉸支的情況下，上式的解式為：

一般而言，拉纜索的彎曲剛度與索長的平方相比很小，可以忽略不計，當K值較小時，上式可改為：

因拉索的m、l均為已知，通過人工激勵可獲得拉索的頻響函數，由拉索的頻響函數可識別出拉索的頻率f，從而得到拉索的索力。

2.3.2 動力系數

根據橋梁設計理論，結構承載后最不利的狀態是結構在發生最大靜載效應的同時也發生最大動載效應，動荷載下實測的沖擊系數根據動撓度時程曲線分析處理，本次動載試驗采取在橋跨結構控制下緣布置動應變傳感器，測試各速跑車、制動工況下的應變波形圖。從應變波形圖計算動力系數：

式中：εdmax為時域曲線最大的波峰值；εdmin為靠近最大波峰的第一個波谷最小值。

2.3.3 基頻

采用脈動法進行自振測試，使用江蘇東華測試DH3822及磁電式加速度傳感器采集橋梁的自振信號，采用DHDAS動態信號分析系統對測試數據進行譜分析，根據采集的時域信號通過頻譜分析計算得到橋梁結構各階自振頻率。

2.3.4 阻尼分析

結構阻尼系數用阻尼比D表示，其計算公式為：

D=(f2-f1)/2f0

式中：f0為自振頻率，f1、f2為半功率點頻率，即0.707倍功率譜峰值所對應的頻率。

2.3.5 振型分析

振型分析主要根據脈動試驗通過分析計算來確定各測點的幅值和相位，從而得出橋梁結構的振型。

2.4 動載試驗結果

2.4.1 索力測試結果

試驗前后吊桿索力實測值與成橋空載狀態索力值最大偏差不超過5%，滿足規范要求，動載試驗前后，索力測試結果見表2、表3。

表2 主跨索力數據檢測結果匯總表

表3 邊跨索力數據檢測結果匯總表

續表

2.4.2 脈動試驗結果

橋梁自振特性實測值與理論計算值對比見表4，主梁面內一階振型、二階振型、三階振型實測結果如圖4～圖6所示。

表4 橋梁自振特性實測值與理論計算值對比表

圖4 主梁面內實測一階振型圖(1.221 Hz)

圖5 主梁面內實測二階振型圖(1.719 Hz)

圖6 主梁面內實測三階振型圖(2.705 Hz)

2.4.3 車輛激勵試驗結果

車輛激勵試驗得到試驗橋跨在不同車速列車荷載及加載車荷載作用下的動力放大系數，試驗結果見表5，工況一、工況二的典型時程曲線分別如圖7、圖8所示。

表5 車輛激勵試驗加載工況匯總表

圖7 工況一1-1截面動應變測點1時程曲線圖

圖8 工況二1-1截面動位移測點3時程曲線圖

3 結 論

(1) 試驗前后吊桿索力實測值與成橋空載狀態設計索力值最大偏差不超過5%，滿足規范要求。

(2) 脈動試驗主梁實測振型與設計計算相符，實測自振頻率大于理論計算值，表明橋梁結構整體剛度較大，滿足設計要求。

(3) 車輛激勵試驗結果表明，在不同車速滿載列車及載重汽車荷載作用下，實測沖擊系數在合理范圍內，滿足要求。

綜上所述，橋梁主橋結構基本動力特性指標滿足設計要求。