基于荷载试验的独塔双索面刚构体系斜拉桥动力特性研究与分析

陈宁凯　张伟

摘 要：单塔双索面斜拉桥由于主跨跨径较小，当采用墩、塔、梁三相固结的刚构体系时，桥梁整体刚度较大，需要特别关注该体系桥梁结构整体动力特性。本文通过对某独塔双索面刚构体系斜拉桥进行地脉动试验、动载试验的数据分析与研究，综合分析该桥的动力特性，为后续研究提供参考。

关键词：刚构体系斜拉桥;特征值分析;动载试验;动力特性

中图分类号：U448.27            文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2019）05-0105-03

单塔双索面斜拉桥主跨一般比相同类型的双塔三跨式的小，通常適用于跨越宽度较小的河流、山谷以及作为跨线桥，也可用主跨跨越河流，索塔及边跨布置在河流一岸的方式。独塔双索面刚构体系斜拉桥由于采用了索塔、桥墩以及主梁三者互为固结的方式，使主梁成为在跨内具有多点弹性支撑的刚构体系，这种体系的优点是结构整体刚度较大，在行车荷载作用下主梁竖向挠度和塔柱纵向挠度均较小，同时非常适合悬臂浇筑施工，不用在塔梁间设置大吨位支座，刚构体系斜拉桥整体刚度较大，对于动力响应较为敏感，所以对这类结构体系的斜拉桥进行动力性能研究与分析是很有必要的。本文以某独塔双索面刚构体系斜拉桥为依托，通过荷载试验研究了独塔双索面刚构体系斜拉桥的动力性能，得出一些结论，为该类型斜拉桥后续研究提供参考。

1 工程概况

某独塔空间双索面斜拉桥位于广东省江门市，桥跨组成为（44+103+180）m，桥面宽43m。桥梁布设于R=10000m 的竖曲线上。全桥设置62对124根斜拉索，梁上索距分别为5m和3m，塔上索距为1.8m。主塔为混凝土门型桥塔，桥面以上塔高85m（不含塔顶结构）。主梁采用预应力混凝土箱梁，为单箱三室结构，主桥全宽43m，梁高3.3m。该桥采用梁塔固结体系，在过渡墩和辅助墩顶设有支座。主塔采用混凝土门型桥塔，在主塔柱外侧设置辅助塔。该桥荷载等级为按公路-Ⅰ级，双向六车道汽车荷载计算。

2 特征值分析

桥梁结构特征值计算主要有子空间迭代法、Lanczos和多重Ritz向量法，相对于Lanczos和多重Ritz向量法，子空间迭代法非常适合于独塔空间双索面斜拉桥这种具有大规模矩阵的有限元系统，可以高效的处理矩阵计算，快速得到特征值。本项目分析时采用MIDAS/CIVIL建立有限元模型，采用子空间迭代法计算特征值。将斜拉桥上部结构主塔和主梁划分为1461个梁单元、斜拉索划分为124个桁架（只受拉）单元，共1531个节点。如图1所示。

3 桥梁动力特性试验方法

3.1 地脉动试验

地脉动试验是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，测定由风荷载、地脉动、水流等随机激励引起的微幅振动响应，通过频谱分析法和模态分析法确定其自振特性（自振频率、振型）。桥跨结构测点振动响应，采用超低频水平和垂直拾震器，配DASP数据采集分析系统、便携计算机记录输出信号，并可实时进行频域、时域处理与分析。本次地脉动试验共布设22个垂直测点，11个横桥向测点和6个纵桥向测点布置于桥面两侧及索塔两个截面，共分为2个批次进行数据采集，以主梁上7#及17～19#测点作为参考点，测点布置图见图2。

3.2无障碍及有障碍行车试验

通过无障碍及有障碍行车试验采用强迫振动法进行动载试验，测试试验桥梁截面动挠度或动应变，从而计算分析该桥的动力冲击系数等参数。该桥动应变（动挠度）测点设置在移动荷载作用下中跨最大挠度截面，测点布置图见图3。行车试验主要包括以下工况：

（1）跳车激振试验：用1辆350kN的重车的前轮从约7㎝高的三角形垫块上突然下落进行激振，使桥梁产生有阻尼的自由衰减振动，并通过频谱分析法、波形分析法确定桥梁结构的自振频率和阻尼比。

（2）无障碍行车试验：在桥面无任何障碍的情况下，用2辆重车并排行驶（重约350kN），以5、10、20、30、40km/h的速度匀速通过桥跨结构，测定桥跨结构在行车作用下的动力响应（动挠度、动应变及冲击系数）;并利用车辆驶离桥面后引起的余振信号来识别桥梁结构的自振频率。

（3）有障碍行车试验：在桥跨结构L/2桥面上设置高度为7cm的障碍物（其横断面为底宽40cm，矢高为7cm的弓形木板），用2辆重车并排行驶（重约350kN）以5、10、20km/h的速度匀速通过桥跨结构，模拟车辆驶过桥面障碍物后对桥梁结构的影响，以测定桥跨结构在桥面不良状态时运行车辆荷载作用下的动力响应（动挠度、动应变及冲击系数）。

（4）刹车制动试验：用2辆重车并排（重约350kN）以30、40km/h的速度在桥跨上匀速行驶，在中跨跨中部位紧急制动，测试其动力响应。

4桥梁动力特性试验结果

4.1 模态分析结果

模态分析是将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。坐标变换的变换矩阵为模态矩阵，其每列为模态振型。模态分析前10阶结果汇总于表1。

通过模态测试结果分析可知：①自振频率实测值均大于理论值，表明桥梁结构各自由度方向实际刚度均大于理论刚度;②主梁1阶横弯频率1.694Hz（阶数6）出现在主塔纵弯和横弯后;③主梁1阶竖向扭转频率1.239Hz（阶数4）出现在主梁2阶反对称竖弯（阶数3）后;④主塔纵弯频率0.519Hz（阶数1）出现在主塔横弯之前，说明主塔的横向刚度大于纵向刚度。

4.2无障碍及有障碍行车试验结果

冲击系数的测试是根据控制面测点在行车试验时记录的动挠度或动应变曲线进行分析处理，具体计算公式如下：