银洲湖特大桥动载试验有限元数值分析与实测研究

王子成

(广东省交通运输建设工程质量检测中心,广东 广州 510000)

0 引 言

为有效保障桥梁的安全性能和使用寿命,桥梁在建成之后需要进行一系列的试验研究,其中包括脉动试验、有障碍行车试验和无障碍行车试验等[1],以检验桥梁的正常使用情况及其对交通运输需求的适应性。[2-5]

1 工程概况

中山—开平高速公路江门段银洲湖特大桥跨越银洲湖黄金水道,桥梁全长906 m,主航道桥是桥跨布置为(56.8+131.2+530+131.2+56.8)m的半漂浮体系混合式PK箱组合梁斜拉桥,主桥桥面净宽2×15.25 m。桥梁跨度较大,两主塔间主梁采用组合梁,中心梁高为3 500 mm,主梁采用PK型分离双箱组合梁形式,结构形式为半封闭箱梁,混凝土桥面板通过剪力钉与钢梁共同受力,钢-混结合部位距离主塔8.75 m,而边跨则采用现浇混凝土梁。银洲湖特大桥主航道桥桥型布置图如图1所示。

图1 银洲湖特大桥主航道桥桥型布置图(单位:cm)

2 桥梁结构特征分析

混凝土箱梁采用PK断面,心线处梁高3.5 m,全宽36.4 m,外侧为钢结构风嘴与中跨组合梁风嘴对接。箱梁横桥向底板水平,顶面设2%双向横坡,斜拉索在外腹板外侧采用钢锚箱形式锚固。混凝土箱梁在过渡墩与辅助墩之间以及辅助墩向主塔方向的4个节段内设置压重,压重采用容重为50 kN/m3的铁砂混凝土。

3号索塔和4号索塔构造相同。索塔总高度为203.619 m。下、中、上塔柱为钢筋混凝土构件结构。主塔横截面为多边形变截面形式,下塔柱塔底部为六边形空心截面,横桥向外轮廓长为8.50 m,横桥向外侧面斜率为1/8.93、内侧面斜率为1/5.453,顺桥向外轮廓长为11.50 m,顺桥向侧向斜率为1/61.686,中塔柱为五边形空心截面,由下塔柱线性渐变而来,横桥向外轮廓长为5.60 m,横桥向外侧面斜率为1/8.93、内侧面斜率为1/5.453,顺桥向外轮廓长为7.80 m,顺桥向侧向斜率为1/61.686,上塔柱为等截面五边形空心截面,外轮廓尺寸为7 m(顺桥向)×6.2 m(横桥向)。上塔柱标准壁横桥向厚0.9 m,顺桥向厚1.1 m;中塔柱壁横桥向厚1.1 m,顺桥向厚1.1 m;下塔柱断面为单箱双室,塔壁横桥向厚1.3 m,顺桥向厚1.3 m,中间隔板厚为1.0 m。

索塔承台横桥向尺寸为60.1 m,顺桥向尺寸为22.4 m,承台厚7.0 m,承台采用C30混凝土封底,厚2.0 m。承台采用整体式大直径群桩基础,桩基数量为36根,桩基直径为2.8 m,均为嵌岩桩,主3号墩桩长53 m,持力层为中风化花岗岩层,主4号墩桩长67 m,持力层为中风化花岗岩层。

3 桥梁现场动载试验设计

为测试桥梁结构的动力学响应参数和承载性能,在现场试验中主要设置3种动力学试验,分别是无障碍行车试验、有障碍行车试验和脉动试验。桥梁无障碍行车试验目的是评估桥梁对正常交通负荷的承载能力和稳定性,测量车辆在桥梁上的行驶速度、加速度,桥梁振动及结构动应变情况,以评估桥梁的结构强度和刚度,并确保桥梁能够安全地承载正常交通;桥梁有障碍行车试验是在桥梁设置一系列的障碍物,如人行道、减速带、隆起或凹陷的路面等,来测试车辆在桥梁上的行驶速度、加速度,桥梁振动及结构动应变情况,模拟车辆在真实道路情况下的行驶工况,本研究在主跨跨中截面处桥面上设置高7 cm的弓形板作为障碍物以模拟桥面不平整状态,通过测试车辆在通过这些障碍物时的振动、扭转和失稳情况,评估桥梁的动态响应和结构稳定性,以确保桥梁在实际道路条件下的安全性能;桥梁脉动试验主要是指桥梁在无车辆通过时由风荷载、地脉动、水流等随机激励引起的微幅振动或变形,通过在桥梁上安装传感器测定结构的相关动力特性(如固有频率、振型、阻尼比等),以分析桥梁结构在车辆荷载下的动态响应特性,通过脉动试验,可以评估桥梁的疲劳性能,识别潜在的结构问题,指导桥梁的设计和改进。无障碍行车试验、有障碍行车试验采用的载重汽车自重为350 kN,数量为2台,行车速度为10～60 km/h,通过动态应变仪测量主跨跨中主梁截面的动应变,由此分析得到相应的冲击系数。行车试验测点布置如图2所示。

图2 行车试验测点布置图(单位:cm)

根据结构理论振型特点,在桥梁主梁边跨二分点、次边跨四分点、主跨八分点及两个主塔塔顶布置测点。脉动试验于2022年12月24日—2022年12月25日进行,每次采样时间为30 min。

4 桥梁现场动载试验结果与数值模拟结果对比分析

4.1 桥梁现场脉动试验结果分析

根据大桥的结构特征及材料属性,采用DASP动力模态分析软件进行桥梁前九阶的自振模态分析,限于篇幅,研究列出了桥梁主梁一阶自振模态计算结果,如图3所示;桥梁现场脉动试验主塔测点实测自谱图及互谱图,如图4所示。根据测试的自振模态、自谱图和互谱图计算结构前三阶的频率,结果见表1。

表1 结构部分实测模态参数表

图3 桥梁主梁一阶自振模态计算结果

图4 桥梁主塔测点自谱图及横向测点互谱图

从表1可以看出,主梁自振模态阶数越大,其数值模拟模态频率和实测模态频率均越大,总体而言,数值模拟得到的主梁前3阶模态频率均小于实测模态频率,且自振模态阶数越大,两者的差值也越大;主梁实测阻尼比变化范围为0.119%～0.869%,小于1%,表明斜拉桥主梁在受到无规则的风荷载、地脉动等随机荷载作用时,其振动幅度相对较小,结构的阻尼比较低。

4.2 桥梁现场行车试验结果分析

行车试验于2022年12月25日15时至18时进行。由于每次测试时间均较短,可以忽略温度变化对测试结果的影响。限于篇幅,图5给出了行车试验主跨跨中截面部分实测动应变时程曲线。从图5中可以看出,不同行车速度条件下,有障碍行车试验动应变曲线和无障碍行车试验应变区曲线的变化规律相同,均呈现明显的单峰特性,且动应变峰值出现的时间不一致。

图5 桥梁无障碍行车试验和有障碍行车试验动应变实测结果

根据以上曲线,可获得该截面相应的冲击系数,冲击系数μ可根据控制截面测点在行车试验时记录的动应变曲线进行分析处理而得。

冲击系数计算结果见表2。

表2 主跨跨中行车试验冲击系数测定值

从表2可以看出,当两辆重约350 kN的车辆以10～60 km/h车速驶过平整桥面时,该截面实测冲击系数为0.017～0.034。而两辆重约350 kN的重车以5～20 km/h车速驶过有障碍桥面时,该截面实测冲击系数为0.092～0.138。从实测结果可以看出,在同一车速下,有障碍行车比无障碍行车试验测的冲击系数要大得多,说明桥面不平整对结构状况影响较为不利。因此,在桥梁运营中保持桥面平整顺畅是十分必要的。鉴于该桥桥型特殊,结构较为复杂,建议营运期间加强结构健康监测和定期检查。

5 结 论

(1) 斜拉桥主梁在受到无规则的风荷载、地脉动等随机荷载作用时,其振动幅度相对较小,结构的阻尼比较低。

(2) 不同行车速度下,有障碍行车试验动应变曲线和无障碍行车试验应变区曲线的变化规律相同,均呈现明显的单峰特性,且动应变峰值出现的时间不一致。

(3) 在同一车速下,有障碍行车比无障碍行车试验测的冲击系数要大得多,说明桥面不平整对结构状况影响较为不利,建议营运期间加强结构健康监测和定期检查。