大跨度钢-混叠合梁悬索桥动载试验研究

于磊 罗浩 沈兴彦

摘 要：本文以单跨550 m的钢-混叠合梁简支悬索桥成桥动载试验为背景，通过自然环境下的自振特性分析以及无障碍行车和刹车试验测试分析桥梁结构在自然环境和激励荷载作用下的动力响应，测定桥梁关键截面在自然环境下动力特性（自振频率、阻尼比、振型）及在激励荷载作用下冲击效应（动应变放大系数）等，以评价桥梁实际整体动力特性。

关键词：大跨度;钢-混叠合梁悬索桥;动力特性;冲击效应

1 工程概述

该桥位于贵州省兴义市，是跨越马岭河大峡谷一座高速公路桥梁。该桥采用单跨550 m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。桥塔是由塔柱、横梁组成的门式框架结构。塔柱为普通钢筋混凝土结构，横梁为预应力混凝土结构。小桩号岸为隧道锚，大桩号岸为重力式锚。设计荷载等级为公路—I级，双向四车道。

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

根据桥梁的最不利原则和代表性原则，该桥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下图1。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。

自振特性测定试验采用的激励方式：

（1）脉动试验：在桥面无任何障碍的情况下，利用环境随机激励，通过长时间脉动响应信号采集，分析结构实际振型。

（2）无障碍行车激励：在桥面无任何障碍的情况下，用4辆载重汽车（单辆重约35 t）以中央分隔带为中心线两边对称跑车，要求车辆尽可能保持同速、同步行驶，以20 km/h、30 km/h、40 km/h、50 km/h的速度匀速行驶使桥梁产生受迫振动，测定桥跨结构在运行车辆荷载作用下的动力反应时程曲线。

（3）无障碍刹车激励：在桥面无任何障碍的情况下，用4辆载重汽车（单辆重约35 t）以中央分隔带为中心线两边对称跑车，要求车辆尽可能保持同速、同步行驶，以20 km/h、30 km/h匀速跑至试验截面刹车，测定桥跨结构在制动力荷载作用下的动力反应时程曲线。

3 试验结果与分析

3.1 桥跨结构振型

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）。实测该桥跨竖向基频为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。实测振型与理论计算振型基本吻合，桥梁振型无异常情况。

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。冲击系数的计算方式：

式中：fdmax—最大动应变幅值;

fjmax—取波形振幅中心轨迹的顶点值，或通过低通滤波求取;

fdmin—fdmax对应的动应变波谷值;

fp-p—应变动态分量的峰—峰值。

冲击系数分析时宜取同截面多个测点的均值，该桥同一截面拟取6个测点的均值。

该桥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。按相关规定，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》中“车辆荷载作用下测定结构的動力系数（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，按下式计算阻尼参数：

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

从上表分析结果可以看出，行车振动响应分析基频均大于理论基频，且与脉动分析基频相近。

4 结论

实测该桥主跨竖向基频为0.215 Hz，大于相应的理论计算竖向基频0.162 Hz。无障碍行车试验中，激励振动响应分析基频均大于理论基频，实测冲击系数在0.01～0.04之间，乘以相应的动载效率后小于理论计算冲击系数0.05。桥梁振型无异常情况，实测振型与理论计算振型吻合，实测阻尼正常。

分析表明：该桥在无障碍行车及刹车试验下的各项动力系数均在正常范围内，桥梁整体动力特性良好，行车性能满足规范要求。

参考文献：

[1]交通部公路科学研究所.大跨度混凝土桥梁的试验方法[M].北京：人民交通出版社，1982.