双塔双索面半漂浮体系大跨度斜拉桥结构振动特性试验研究*

宋 超

(中交路桥建设有限公司，北京 100027)

1 工程概况

某跨江大桥采用3 000t级通航标准，通航净高30.5m，大桥全长3 030m，其跨径组合为(7×40+6×40+6×60)m+(86+229+636+229+86)m+(6×60+6×40+7×40)m(见图1)。主桥为主跨636m的双塔双索面钢箱梁斜拉桥，边跨设置辅助墩，其跨径布置为(86+229+636+229+86)m=1 266m，结构体系为五跨连续半漂浮体系。主梁为流线型扁平钢箱梁，中心线处内轮廓梁高3.5m，钢箱梁全宽33.5m，标准梁段16m，重2 750kN。索塔区梁段数量5个，最大重260t，斜拉索1对。主跨合龙梁段10m，吊重 1 700kN， 过渡墩、辅助墩异形梁段最大吊重3 050kN。

图1 桥梁现场实景

索塔采用“H”形，索塔总高度194.6m，底部设置2.5m高塔座。索塔截面为箱形变截面，塔底截面尺寸为10m×7m，塔顶截面尺寸为7m×5m，塔壁厚度横桥向均为1m，顺桥向下、中塔柱为1m，上塔柱为1.2m。索塔设置2道横梁，下横梁尺寸为(9.4～9.56)×7m,离塔座18.9m。上横梁尺寸为7m×6m，离塔座129.3m。斜拉索在梁端采用钢锚梁锚固结构，斜拉索索塔锚固区内环向布置预应力。

2 钢箱梁振动测试试验

2.1 钢箱梁振动特性测试测点

为识别主桥的固有振动特性，在主桥特定位置布置全桥测试基准参考点。基准参考点的布置原则为：避开理论计算模态中的振幅为0的测点。

有限元计算结果表明，前15阶模态振型中，边跨(19～20号墩)在第15阶模态振型中的形状为半个正弦波，故该跨按2等分进行布点；次边跨(20～21号墩)在第15阶模态振型中的形状近似为1个正弦波，故该跨按4等分进行布点；主跨在第15阶模态振型中的形状近似为3个正弦波，故该跨按12等分进行布点。因此，测量截面共23个。

根据理论振型中振动较大的点，确定现场实际布置测点，振动测点总体布置如图2所示，共布置23个截面，均在上游和下游侧各布置1个竖向测点，并在上游侧布置1个横桥向测点，用以拾取钢箱梁竖向和横向速度响应，桥面共23×3=69个测点。

图2 斜拉桥钢箱梁振动特性测试截面及截面测点布置示意(单位：cm)

钢箱梁梁端纵桥向位移测试断面布置于主桥钢箱梁两端(过渡墩位置)，各布置1个测点，共2个测点。

2.2 主塔振动特性测试测点

每个主塔的上、下游塔顶和塔上部横梁位置(2个截面)分别布置纵桥向测点和横桥向测点，2个主塔共16个测点(见图3)。

图3 斜拉桥主塔振动特性测点布置示意

2.3 理论分析模型

采用桥梁结构分析软件MIDAS/Civil，建立主桥空间杆系有限元模型(见图4)，共326个梁单元、152个拉索单元、651个结点。其中，主梁及塔柱、墩身用单梁模拟，斜拉索塔端和梁端锚点按设计坐标建立，分别与主梁和主塔在锚点对应的节点处刚性连接。

图4 全桥MIDAS模型

钢箱梁边界条件为：在主塔下横梁处设竖向支座和横向抗风支座，在辅助墩和过渡墩墩顶设置竖向支座；辅助墩和过渡墩墩底固结，塔底弹性模拟，其刚度矩阵为：

2.4 测试内容与分析方法

2.4.1测试内容

振动特性试验测试的主要项目为桥跨结构的自振频率、振型和阻尼比。通过测量桥塔和钢箱梁的环境振动响应，识别桥塔和桥面振动的前面若干阶振动频率、振型和阻尼比。

2.4.2测试断面及测点布置

振动特性试验的测试断面布置在桥跨四分点，共计25个测试断面，分上、下游2条测线布置测点(见图5)。

图5 振动特性试验测点布置示意

2.4.3测试与分析方法

试验前，对测试系统、拾振传感器等进行调试；应用环境随机振动法进行桥梁结构的振动试验，通过拾振传感器、放大器、信号采集系统和计算机拾取并记录桥梁结构的随机振动响应；联合基于傅里叶变换的谱峰值法、随机子空间法(SSI法)及随机减量法进行振动特性参数分析，谱峰值法结合随机子空间法是获得超大跨度柔性桥梁振动频率和振型的最可靠、准确的方法，随机减量法可更准确地识别结构的阻尼比。

2.5 测试结果与分析

主桥13阶固有振动特性参数包括实测和理论计算的固有振动频率、模态阻尼比和振型特征。理论计算振型及实测模态如图6～11所示。

图6 主梁1阶对称竖向弯曲振动

图7 主梁1阶反对称竖向弯曲振动

图8 主梁1阶对称扭转振动

图9 主梁2阶对称竖向弯曲振动

图10 主梁2阶反对称竖向弯曲振动

图11 主梁3阶对称竖向弯曲振动

2.6 实测模态结果与分析

实测频率均大于计算值，实测各阶阻尼比在正常范围内，如表1，2所示。

表1 主桥前15阶成桥状态模态实测与理论计算对比结果

表2 桥跨结构自振特性参数测试结果

3 结语

实测得到的主桥竖桥向各阶固有振动频率与理论计算值较吻合，说明大桥实际的动力特性与理论预测值较接近。大桥在环境振动下得到的各阶振动频率比理论计算值稍大，说明桥跨结构动力刚度大于计算值。

主桥第1阶竖向弯曲、扭转及横向弯曲振动频率分别为0.273，0.852，0.275Hz(理论值分别为0.266，0.852，0.247Hz)。第1阶扭弯频率比为3.12。实测阻尼比介于0.522%～2.875%。振动测试试验结果表明，桥跨钢箱梁结构实际整体刚度优于理论刚度，理论模型计算振型与振动试验各阶的实测振型基本一致，表明钢箱梁刚度分布、质量分布与设计基本一致，以上钢箱梁特征参数对该桥梁后期营运养护具有一定的参考意义。