独塔双索面混合梁斜拉桥耦合荷载作用下动载试验分析

杨善武

(合肥工大工程试验检测有限责任公司，安徽 合肥 230051)

0 引 言

为了适应经济的发展，一方面越来越多的桥梁设计成了公轨两用桥梁，另一方面由于交通流量急剧增加，新的交通工具也在不断地投入使用，如城市中越来越多的轻轨车辆。

当大型货车和轨道交通列车(包括火车、轻轨车)在大跨度桥梁上运行时，会明显影响桥梁局部动力性能和疲劳寿命。而桥梁的振动也会影响车辆和轨道交通的安全运行和车上人员的舒适度，使其成为评价结构动力设计参数是否合理的重要考虑因素。因此，对车辆-桥梁耦合系统进行分析，确保在车辆运行时桥梁结构的安全使用及车辆运行时的舒适与安全可靠，并为桥梁设计提供某些参数的理论依据，对于当今桥梁的维护和设计建造具有十分重要的理论和实际意义。

桥梁在耦合作用下的动载试验就是通过对桥梁结构进行直接加载测试的一项科学试验，目的是通过动载试验直接了解其受力状态，同时可通过荷载试验了解在通常情况下难以发现的病害，用于检验设计和施工的质量。通过荷载试验，获取科学技术数据，掌握桥梁的整体工作性能，获得结构的动力参数，对结构状况进行评估，测定桥梁结构在轨道列车荷载及车辆荷载同步作用下的动态响应，通过实验结果，判断桥梁结构的整体受力分析能否满足设计文件和现行规范的技术要求，检验预期的设计效果，反映桥梁综合施工质量，验证桥梁结构的安全性、可靠性，为桥梁的后期养护和管理提供可靠的资料[1-4]。

1 测试内容

动载试验主要测试内容包括模态试验及车辆激励试验。模态试验主要采集桥梁结构的自振频率信息，并分析计算桥梁结构的自振频率、振型、阻尼。车辆激励试验主要测试桥梁主桥在轨道专用列车及载重汽车荷载作用下的冲击系数、动力响应[5-7]。具体测试内容如下：

(1) 建立宽箱主梁和轨道梁一体的斜拉桥合理的空间计算模型，计算、分析桥梁动力特性，主要分析桥梁各阶频率和振型，对结构动力特性做出评价；

(2) 根据动力分析与测试的结果，对主梁结构刚度提出合理的评价。

(3) 分析各种荷载工况下，车辆和桥梁动力响应，并参照合适的规范进行评价。

2 工程实例

2.1 桥梁概况

某桥为一座公轨两用独塔双索面斜拉桥，建于2019年，主桥为跨径(96+66)m独塔双索面混合梁斜拉桥，塔、梁、墩固结体系，不设辅助墩。索塔采用钻石形双塔柱桥塔；主梁采用双边箱混合梁主梁(主跨侧组合梁，边跨侧混凝土梁)；斜拉索采用平行钢丝成品索，平行扇形双索面。立面布置上，竖曲线半径为1 800 m，锚跨纵坡为2.5%，主跨最大纵坡为2.83%。主桥范围内平曲线为直线。主桥主跨侧标准横断面布置为：0.25 m(栏杆)+2.5 m(人行道)+3.5 m(非机动车道)+0.25 m(栏杆)+2.25 m(分隔带索区)+0.5 m(防撞护栏)+8 m(机动车道)+0.5 m(防撞护栏)+8.5 m(预留轨交净宽)+0.5 m(防撞护栏)+8 m(机动车道)+0.5 m(防撞护栏)+2.25 m(分隔带索区)+0.25 m(栏杆)+3.5 m(非机动车道)+2.5 m(人行道)+0.25 m(栏杆)=44 m。

主跨施工阶段划分为11个节段，节段长度为8 m，其中1号段为钢-混结合段，后面10个节段采用钢-混组合结构，混凝土桥面板采用C50混凝土，钢结构采用Q345qD钢材，桥面板与钢主梁顶板采用焊钉连接件连接；0号段(塔-墩-梁结合段)及锚跨采用预应力混凝土结构，混凝土强度等级为C50，其中0号段长为16 m，锚跨设置2个现浇段，长度分别为26 m和30 m，中间设置2 m合龙段。

主跨钢-混组合梁：主跨采用分离式双边箱组合梁，横断面宽度44 m，主梁中心梁高2.7 m。预制混凝土桥面板厚度为26 cm，宽度为41.4 m，每侧各留有1.3 m放置过桥管线；边箱箱室宽度为7 m，顶板厚度为25 mm，底板厚度为20 mm，边腹板厚度为20 mm，中腹板厚度为30 mm，横断面两侧各留有3.75 m挑梁。双边箱之间设置一道工字形小纵梁。横隔梁标准间距为4.0 m，其中不设承轨台的横梁腹板厚度为20 mm，顶板宽度为600 mm，厚度为25 mm，底板宽度为860 mm，厚度为35 mm；设置承轨台的横梁腹板厚度为25 mm，顶板宽度为600 mm，厚度为35 mm，底板宽度为1 200 mm，厚度为45 mm；两横隔梁间设置腹板抗剪竖向加劲肋。

主跨钢-混结合段：钢-混结合段长度为2.0 m，在组合梁侧设置2.0 m的钢梁加强段，采用填充混凝土结合方式，梁段之间采用实心混凝土横梁连接，钢梁底做成双壁结构形成钢格室埋入混凝土内，顶板、腹板采用圆柱头焊钉连接过渡，通过张拉纵、横向预应力使得结合段处于三向受压状态。

索塔为钢筋混凝土构件，混凝土强度等级为C50。其外形为钻石形塔柱，纵向为单柱式，横断面上共布置两个塔柱，两塔柱中心距为29.5 m，索塔总高54.765 m，桥面以上索塔塔高44.6 m，塔高/主跨=0.465；以主梁为界，将塔柱划分为上、下两部分。

斜拉索为平行扇形双索面布置。主跨侧共10对索，梁上标准间距8 m；由于采用交叉锚方式，每1根主跨索对应2根锚跨索，锚跨段标准索间距6.0 m，在配重段索间距为4.0 m。塔上标准索距为2.0 m，最大索距为2.629 m。斜拉索内涂有防腐腻脂，钢丝护套为双层热挤PE形成，内层为黑色，外层为彩色。为减小风雨振，在PE表面设有风雨线，在每根斜拉索上两端都设有减震器，在斜拉索下端2.0 m范围内外包不锈钢管，以保护斜拉索不受破坏。根据索力大小，每根拉索由139根到337根Φ7 mm高强钢丝组成，钢丝标准强度为1 670 MPa。

道路等级：城市主干道；单轨交通80 km/h，主线城市道路60 km/h，双向四车道，汽车荷载为城-A级，两侧设人行和非机动车道。

单轨交通荷载由轨交设计单位提资并符合国家和相关行业规范、标准；人群及非机动车荷载：根据《城市桥梁设计规范》(CJJ 11—2011)取值；汽车荷载为城-A级。

2.2 动载试验

2.2.1 索力测量

斜拉索在各种环境因素的作用下通常会激发起微小的振动，通过使用高灵敏度的拾振传感器及其相应的数据采集设备和分析软件，由结构的振动分析出若干阶自振频率，最后由索力与其自振频率、边界条件、刚度等的关系式通过频率来反算索力。检测方法采用频测法，抽检比例为100%。

2.2.2 脉动试验

(1) 测试方法：在桥面无任何交通荷载以及桥址附近无规则振源的情况下，通过高灵敏度动力测试系统测定桥址处风荷载、地脉动、水流等随机荷载激振而引起桥跨结构的微幅振动响应，测得结构的自振频率、振型和阻尼比等动力学特征[8-10]。

(2) 测点布置：加速度传感器的布设在桥面机动车道外侧，根据该桥结构振型特征，主梁两侧共布置13×2=26个测点，测点布置如图1所示。

图1 主桥脉动试验测点纵向布置图(单位：m)

图2 主桥动应变、动挠度测试截面位置图(单位：m)

图3 11截面动应变、动挠度测试传感器横向布置图

2.2.3 车辆激励试验

(1) 测点布置：根据桥梁振型特征，主桥车辆激励试验测试截面如图2所示，1-1截面动应变、动挠度测点布置位置如图3所示。

(2) 加载车型：车辆激励试验加载车型为轨道专用列车(满载75 t)及后八轮载重汽车(44 t),进行现场测试。通过现场查勘，为模拟轨道列车均布荷载，本次轨道列车的配载，采用密封沙袋进行配重，每辆轨道列车配载75 t。

(3) 试验加载工况：动载试验时选择1辆后八轮载重汽车及2辆轨道专用列车在规定路线行驶进行测试。上述加载车辆同向同步行驶，在规定时速下匀速通过桥跨结构，测定测试截面处的动位移、动应变时间历程曲线。车辆激励试验各加载工况见表1。

表1 车辆激励试验加载工况汇总表

2.3 数据处理

对试验结果进行整理时，应注意消除系统误差，舍弃因过失误差产生的可疑数据。对动载时域波形应先进行预检，去掉奇异项，修正零线漂移、趋势项等误差，以确保数据分析的准确性和真实性。

2.3.1 拉索索力

将拉索视为弦的振动，在拉索上任意截取单元体，其基本平衡方程为：

在拉索两端为铰支的情况下，上式的解式为：

一般而言，拉缆索的弯曲刚度与索长的平方相比很小，可以忽略不计，当K值较小时，上式可改为：

因拉索的m、l均为已知，通过人工激励可获得拉索的频响函数，由拉索的频响函数可识别出拉索的频率f，从而得到拉索的索力。

2.3.2 动力系数

根据桥梁设计理论，结构承载后最不利的状态是结构在发生最大静载效应的同时也发生最大动载效应，动荷载下实测的冲击系数根据动挠度时程曲线分析处理，本次动载试验采取在桥跨结构控制下缘布置动应变传感器，测试各速跑车、制动工况下的应变波形图。从应变波形图计算动力系数：

式中：εdmax为时域曲线最大的波峰值；εdmin为靠近最大波峰的第一个波谷最小值。

2.3.3 基频

采用脉动法进行自振测试，使用江苏东华测试DH3822及磁电式加速度传感器采集桥梁的自振信号，采用DHDAS动态信号分析系统对测试数据进行谱分析，根据采集的时域信号通过频谱分析计算得到桥梁结构各阶自振频率。

2.3.4 阻尼分析

结构阻尼系数用阻尼比D表示，其计算公式为：

D=(f2-f1)/2f0

式中：f0为自振频率，f1、f2为半功率点频率，即0.707倍功率谱峰值所对应的频率。

2.3.5 振型分析

振型分析主要根据脉动试验通过分析计算来确定各测点的幅值和相位，从而得出桥梁结构的振型。

2.4 动载试验结果

2.4.1 索力测试结果

试验前后吊杆索力实测值与成桥空载状态索力值最大偏差不超过5%，满足规范要求，动载试验前后，索力测试结果见表2、表3。

表2 主跨索力数据检测结果汇总表

表3 边跨索力数据检测结果汇总表

续表

2.4.2 脉动试验结果

桥梁自振特性实测值与理论计算值对比见表4，主梁面内一阶振型、二阶振型、三阶振型实测结果如图4～图6所示。

表4 桥梁自振特性实测值与理论计算值对比表

图4 主梁面内实测一阶振型图(1.221 Hz)

图5 主梁面内实测二阶振型图(1.719 Hz)

图6 主梁面内实测三阶振型图(2.705 Hz)

2.4.3 车辆激励试验结果

车辆激励试验得到试验桥跨在不同车速列车荷载及加载车荷载作用下的动力放大系数，试验结果见表5，工况一、工况二的典型时程曲线分别如图7、图8所示。

表5 车辆激励试验加载工况汇总表

图7 工况一1-1截面动应变测点1时程曲线图

图8 工况二1-1截面动位移测点3时程曲线图

3 结 论

(1) 试验前后吊杆索力实测值与成桥空载状态设计索力值最大偏差不超过5%，满足规范要求。

(2) 脉动试验主梁实测振型与设计计算相符，实测自振频率大于理论计算值，表明桥梁结构整体刚度较大，满足设计要求。

(3) 车辆激励试验结果表明，在不同车速满载列车及载重汽车荷载作用下，实测冲击系数在合理范围内，满足要求。

综上所述，桥梁主桥结构基本动力特性指标满足设计要求。