大跨度钢-混叠合梁悬索桥动载试验研究

崔海虎

(内蒙古交通职业技术学院,内蒙古 赤峰024005)

1 工程概述

本人桥梁工程桥采用单跨550m的钢-混叠合梁简支悬索桥，桥宽30.5 m。加劲梁为钢-混叠合梁，由钢梁通过剪力钉与混凝土桥面板结合而成，加劲梁全宽30.5 m，中心线处梁高3.92 m。主缆成桥状态计算跨度为（130+550+210）m，主跨垂跨比为1/10。主缆采用预制平行钢丝束股（PPWS），主跨两根主缆的中心间距25.5 m。桥塔结构是由塔柱、横梁组成的门式框架。塔柱结构设计为普通钢筋混凝土，横梁结构设计为预应力混凝土。本工程道路路面为双向四车道，一级公路。

动载试验主要通过脉动试验、无障碍行车及刹车试验测定桥跨结构在试验动荷载作用下结构的动力特征，动荷载下的动力响应，评定实际结构的动力性能。

2 动载试验设计与实施

该桥梁的试验截面选取主跨（4-4、6-6、8-8）截面进行动载试验。动载试验截面布置如图1所示。采集桥跨结构自由振动状态下关键部位振动加速度、特征截面动应变时域信号，通过频谱分析等方法得到桥跨结构自振特性参数。

图1 动载测试布置图

自振特性测定试验采用的激励方式：

（1）脉动试验：试验前提在桥梁路面不存在任何阻力和障碍之下，再通过环境随机振动激励法，采集设定长时间下其桥面脉动产生的响应信号，再具体分析桥梁结构所属的实际振型。

（2）无障碍行车激励：试验前提在桥梁路面不存在任何阻力和障碍之下，通过4辆载重（载重约35吨）的卡车，以路面中央位置的分隔带作为中心界线，道路两边分别2辆对称行车，设定4辆车的速度按照设定速度匀速行驶且同时起步行驶，分别以30km/h、40km/h、50km/h、60km/h匀速行驶使，采集行驶过程中桥梁所呈现的受迫振动，测算桥跨工程结构受车辆行驶荷载的作用力下采集其动力反应时程曲线。

（3）无障碍刹车激励：试验前提在桥梁路面不存在任何阻力和障碍之下，通过4辆载重（载重约35吨）的卡车，以路面中央位置的分隔带作为中心界线，道路两边分别2辆对称行车，设定4辆车的速度按照设定速度匀速行驶且同时起步行驶，分别以30km/h、40km/h、50km/h、60km/h匀速行驶至设定的试验截面采取刹车，测算桥跨工程结构在车辆行驶制动力荷载作用下其动力反应时程曲线。

3 试验结果与分析

3.1 桥跨结构振型

采用桥梁领域专业软件MIDAS Civil有限元程序（考虑恒载几何非线性）对大桥整体进行理论分析，主缆及吊索采用桁架模拟，主梁和索塔采用梁单元模拟，桥面板采用板单元模拟，支座按实际位置及约束条件进行模拟，有限元模型共划分1548个单元（包括桁架单元、梁单元、板单元），772个节点。

该桥振型采集，对该桥竖平面内弯曲、横向弯曲自振特性以及扭转自振特性进行测试，且模态测试阶数要求不少于9阶（主振型）。实测结果见表1。从表中可以看出：（1）实测该桥桥跨竖向基频为0.215 Hz，大于相应的理论计算竖向基频0.162 Hz，实际桥梁结构刚度大于有限元分析刚度。（2）实测振型与理论计算振型基本吻合，桥梁振型无异常情况。

表1 主桥实测动力特性

3.2 行车动力响应

根据《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21-01-2015）中6.6.5 节要求，对于该特大跨径桥梁，本次拟采用动应变时程曲线计算冲击系数。表2为主跨动应变测试分析结果。

表2 主跨动应变测试分析结果表

该桥4-4截面应变增大系数最大值为1.04 ，6-6截面应变增大系数最大值为1.02 ，8-8截面应变增大系数最大值为1.03 。按《公路桥涵设计通用规范》[2]（JTG D60-2015）中规定，理论计算冲击系数μ=0.05 。根据《大跨径混凝土桥梁的试验方法》[3]中“车辆荷载作用下测定结构的动力系数（应变增大系数）应满足(σmax-1)η≤μ”的规定进行计算可知实测冲击系数在0.01 ～0.04 之间，小于理论计算冲击系数0.05 。因此该桥的实测冲击系数满足规范要求。

3.3 阻尼比分析结果

将拾振器安装在各动载测试截面的桥面铺装上，用橡皮泥将拾振器底座与桥面粘贴在一起，用动态信号采集分析系统进行观测，得到在行车激振作用下试验截面的振动速度时程曲线。

根据采集的振动速度时程曲线拟采用波形分析法进行阻尼比分析，多阶自振信号叠加的波形通常首先分离为单一频率的自振频率。根据阻尼比，分析结果如表3。

表3 阻尼比分析结果表

实测各阶振型阻尼比范围为0.113 ～0.899 ，说明结构的阻尼系数较小，衰减较慢，这与结构的形式是一致的。

3.4 截面行车振动频谱分析结果

从表4的分析数据得出，实际的行车振动响应数据分析基频均高于设定的理论基频，所得数据基本与脉动分析基频相稳合。

表4 动载试验跑车振动曲线频谱分析结果表

4 结论

实际测算数据得出本大跨度桥梁的主跨竖向基频数据为0.215 Hz，大于原设定的理论基频数据0.162 Hz。试验前提在桥梁路面不存在任何阻力和障碍之下，激励振动响应分析基频均高出原高定的理论基频，实际测算的桥跨冲击系数范围在0.01 ～0.04 ，再乘以相应的动载效率后小于理论计算冲击系数0.05 。大跨度桥梁在车辆运行中其振型没有产生异常情况，实际测算的振型数据与原设定的理论振型数据相吻合，实际测算的阻尼数据也基于正常。

以上数据表明：试验前提在桥梁路面不存在任何阻力和障碍之下，桥梁在实测中的各项动力系数均符合正常设计，大跨度桥梁的整体动力特性呈现良好，行车性能也基本满足相关设计要求和规范要求。