劉羽宇,葛玉梅,高玉峰,霍學(xué)晉

(1.西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院,成都 610031;2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031)

廈門 BRT一期工程鋼箱梁橋靜動(dòng)載試驗(yàn)研究

劉羽宇1,葛玉梅1,高玉峰2,霍學(xué)晉2

(1.西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院,成都 610031;2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031)

對(duì)廈門快速公共交通系統(tǒng)中一處小半徑大跨度連續(xù)曲線鋼箱梁橋進(jìn)行了靜動(dòng)載試驗(yàn)研究。測(cè)試并分析了該橋的自振特性,靜載工況下的撓度、截面應(yīng)力和行車激振試驗(yàn)工況的沖擊作用。試驗(yàn)結(jié)果表明橋梁在使用荷載下處于彈性工作狀態(tài),橋跨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,具有良好的強(qiáng)度與剛度,滿足設(shè)計(jì)要求。

連續(xù)曲線鋼箱梁橋 小半徑大跨度 靜載試驗(yàn) 動(dòng)載試驗(yàn)

0 引言

近年來,作為解決日益嚴(yán)重的交通問題的一種方案,城市高架快速交通系統(tǒng)得到了很快的發(fā)展。高架橋結(jié)構(gòu)布置的難點(diǎn)一般在道路轉(zhuǎn)彎的曲線段處,受地形、地物、占地面積和交通的影響,墩位布置受到種種限制?？鐝捷^小的普通鋼筋混凝土連續(xù)曲梁難以滿足這種需要,因此多選用有較大跨越能力的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)曲梁和連續(xù)曲線鋼箱梁。但在施工工期、施工交通組織要求較嚴(yán)的情況下,采用滿堂支架澆筑的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)曲梁也難達(dá)到要求,而需選用連續(xù)曲線鋼箱梁,采用大節(jié)段整體吊裝的施工方法滿足交通要求[1]。目前,對(duì)連續(xù)曲線鋼箱梁橋的研究還主要在設(shè)計(jì)、施工和靜力研究等方面[2-4],對(duì)其動(dòng)力特性研究成果較少,實(shí)測(cè)研究結(jié)果更少。

已建成的廈門市快速交通(BRT)一期工程一號(hào)線島內(nèi)段起自第一碼頭,與正在建設(shè)的集美大橋?qū)?全線高架,線路全長 15.349 km。設(shè)計(jì)運(yùn)行 BRT車輛及預(yù)留直線電機(jī) B型列車。本文選取其中小半徑大跨度連續(xù)曲線鋼箱梁——富山轉(zhuǎn)盤跨線橋?yàn)檠芯繉?duì)象,對(duì)其靜動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行實(shí)橋的測(cè)試與分析。并將其自振特性和靜載試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算值相比較,考察橋梁的自振特性、靜力特性及車速對(duì)其動(dòng)力特性的影響,了解橋跨結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài),判斷實(shí)際承載能力,為此類連續(xù)曲線鋼箱梁橋的工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 橋梁概況

富山轉(zhuǎn)盤跨線橋?yàn)樾“霃酱罂缍冗B續(xù)曲線鋼箱梁橋,跨徑布置為(49.75+60.00+49.75)m。平面線型由直線、緩和曲線和圓曲線構(gòu)成,圓曲線半徑 152.12 m,橋面位于超高漸變段和加寬段上。鋼箱梁采用單箱室斜腹板截面,梁高 3.0 m,箱梁頂寬第一跨為 9.8～10.9 m,其余為 10.9 m,底寬 4.46 m。梁頂寬度通過兩側(cè)懸臂長度調(diào)整,懸臂長度第一跨為 1.78～2.33 m,其余為 2.33m。鋼材材質(zhì)為 Q345qD。橋面采用正交異性板結(jié)構(gòu),一般截面頂板板厚 14 mm,底板一般厚16 mm,中支點(diǎn)附近加厚為 24mm,腹板一般厚 14mm,中支點(diǎn)附近加厚為 16mm,邊支點(diǎn)附近加厚為 20mm。橫隔板厚 14 mm,支點(diǎn)處加厚為 32mm。梁底通過支座墊塊調(diào)整,以便水平放置支座。設(shè)計(jì)行車速度 40 km/h。

2 試驗(yàn)加載設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)加載設(shè)計(jì)

試驗(yàn)加載位置與加載工況的確定,主要根據(jù)設(shè)計(jì)控制荷載在主梁上產(chǎn)生的最不利彎矩效應(yīng)值按 0.80～1.05的效率系數(shù)等效換算而得,并盡可能用最少的加載車輛達(dá)到最大的試驗(yàn)荷載效率。采用橋梁博士分別計(jì)算了在城 B、BRT荷載以及設(shè)計(jì)控制荷載——直線電機(jī) B型車作用下的活載效應(yīng)圖(圖 1)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果及橋跨實(shí)際情況確定了本橋的試驗(yàn)加載工況,全橋選取三個(gè)試驗(yàn)截面,分別為 183號(hào)墩 ～184號(hào)墩之間 A-A截面和 184號(hào)墩 ～185號(hào)墩之間 C-C截面最不利正彎矩工況,184號(hào)墩支點(diǎn)附近 B-B截面最不利負(fù)彎矩工況,如圖 2所示。在每跨的 L/4、L/2、3L/4截面處設(shè) 2個(gè)撓度測(cè)點(diǎn)(圖中以“圓圈 +箭頭”表示),分別在 A-A、B-B、C-C截面設(shè) 15個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn),如圖 3。圖中三角形符號(hào)表示應(yīng)變測(cè)點(diǎn),動(dòng)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)以實(shí)心三角形表示,全橋共 45個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。試驗(yàn)車輛共采用 9輛三軸自卸載重卡車,每輛車總重(380±10)kN,軸距(3.85+1.40)m。

圖1 設(shè)計(jì)控制荷載的活載效應(yīng)(單位：kN?m)

圖2 測(cè)試斷面(單位：cm)

圖3 截面測(cè)點(diǎn)布置(單位：cm)

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容與方法

本次試驗(yàn)包括自振特性測(cè)試和靜動(dòng)載試驗(yàn),為避免溫度和環(huán)境的影響,試驗(yàn)安排在凌晨進(jìn)行。

自振特性測(cè)試,測(cè)定橋跨結(jié)構(gòu)固有振動(dòng)特性,包括頻率、振型和阻尼比。采用脈動(dòng)法測(cè)試橋面無交通荷載以及橋址附近無規(guī)則振源的情況下,由橋址處風(fēng)荷載、地脈動(dòng)等隨機(jī)荷載激振而引起的橋跨結(jié)構(gòu)的微小振動(dòng)響應(yīng)。通過對(duì)脈動(dòng)信號(hào)進(jìn)行 FFT分析,直接得到自振頻率。振型測(cè)量通過在水平或豎直方向布置一定數(shù)量的拾振點(diǎn),同時(shí)測(cè)量各拾振點(diǎn)的脈動(dòng)信號(hào),應(yīng)用模態(tài)分析法識(shí)別對(duì)應(yīng)頻率的振型。阻尼比是根據(jù)功率譜用半功率點(diǎn)帶寬法計(jì)算而得。記錄信號(hào)要有足夠的長度,對(duì)于信號(hào)不飽和應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)充測(cè)試記錄。

靜載試驗(yàn),包括各試驗(yàn)加載截面的應(yīng)力測(cè)試和梁體豎向撓度的測(cè)試,目的是檢驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)在車輛荷載作用下的變形及主要受力構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)試驗(yàn)加載設(shè)計(jì)方案確定 4個(gè)工況：工況① 6輛車排成 3列 2行(行距 15m,第 1行距離 183號(hào)墩 20.6 m),測(cè)讀 A-A截面應(yīng)力和各跨撓度,以下稱 A工況;工況② 6輛車排成 3列 2行 (行距 15 m,第 1行距離184號(hào)墩 15 m),測(cè)讀 C-C截面應(yīng)力和各跨撓度,以下稱 C工況;工況③ 共 9輛車,其中 6輛車按工況 1布置,另 3輛排成 3列 1行,距離 184號(hào)墩 30m,測(cè)讀 BB截面應(yīng)力和各跨撓度,以下稱 B工況;工況④ 第①、②工況去掉最邊上 1列,測(cè)讀偏心加載時(shí)的截面應(yīng)力和各跨撓度。正式加載前,先對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行兩次預(yù)加載,以消除結(jié)構(gòu)非彈性變形。每個(gè)工況均加載兩次,每次加載時(shí)間應(yīng)充分長,保證結(jié)構(gòu)完全變形。卸載后,也應(yīng)等橋梁回復(fù)到初始狀態(tài)后再加載。撓度采用百分表讀取。應(yīng)力測(cè)試采用粘貼箔式應(yīng)變計(jì),由電阻應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量。為了消除溫度變化的影響,每個(gè)電阻應(yīng)變片均配有相應(yīng)的溫度補(bǔ)償片。

動(dòng)載試驗(yàn),包括速度為 10～40 km/h無障礙行車時(shí)橋梁的動(dòng)力響應(yīng)和速度為 5～30 km/h、高度為 7.5 cm的三角形板跳車和 30 km/h制動(dòng)時(shí)橋梁的動(dòng)力響應(yīng)。無障礙行車試驗(yàn)的目的是了解結(jié)構(gòu)的動(dòng)應(yīng)變、動(dòng)位移、豎向與橫向等振動(dòng)特性,以檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)在動(dòng)載作用下的工作狀態(tài)。跳車試驗(yàn)?zāi)康氖悄M橋面鋪裝局部損傷狀態(tài),橋跨結(jié)構(gòu)在運(yùn)行車輛荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)。跳車板置于 A-A跨 L/2附近。由動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀測(cè)試主梁的動(dòng)態(tài)應(yīng)變,并由橋梁光電撓度儀測(cè)試主梁的動(dòng)撓度。

3 有限元計(jì)算模型

橋梁計(jì)算在 Ansys中建模計(jì)算,模型如圖 4。用殼單元建立橋梁的空間模型,建模采用人工控制節(jié)點(diǎn)建模的方式,在加載附近和測(cè)點(diǎn)附近劃分單元較細(xì),其他部分劃分單元較粗。這樣既能保證計(jì)算結(jié)果的可靠性,又能最大的減少模型單元和節(jié)點(diǎn)數(shù),降低運(yùn)算規(guī)模。建模中除按照設(shè)計(jì)要求對(duì)橋梁約束放松外,還要特別考慮實(shí)際結(jié)構(gòu)中支座的大小和位置對(duì)結(jié)構(gòu)的影響,在支座位置處按照支座的大小建立節(jié)點(diǎn)和單元。模型簡化了橋梁上的附屬設(shè)施,在計(jì)算中將其質(zhì)量等效到各相應(yīng)的位置處。將加載車輛簡化為集中力荷載(前輪重 50 kN,后輪重 70 kN,總重 2×50+4×70=380 kN),加于試驗(yàn)工況中每個(gè)車輪的位置。

圖4 橋梁計(jì)算模型局部

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 自振特性實(shí)測(cè)結(jié)果與分析

表1列出了結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)和計(jì)算頻率及振型。由表1可見,橋梁基頻實(shí)測(cè)值為 2.15 Hz,計(jì)算值為 2.00 Hz,實(shí)測(cè)與計(jì)算值較接近,且略大于計(jì)算值,說明梁體的橫向剛度較大。實(shí)測(cè) 1階阻尼比為 0.030,說明結(jié)構(gòu)的阻尼較小,振動(dòng)衰減較慢。

表1 結(jié)構(gòu)自振頻率實(shí)測(cè)和計(jì)算值

4.2 靜載試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.2.1 撓度實(shí)測(cè)結(jié)果與分析

各工況下各跨撓度實(shí)測(cè)和計(jì)算結(jié)果如表 2?？梢钥闯?A工況 A-A跨梁體最大位移實(shí)測(cè)值為 22.75 mm,計(jì)算值為 24.78mm,C工況 C-C跨梁體最大位移實(shí)測(cè)值為 26.00mm,計(jì)算值為 26.52mm。A工況加載跨(A-A跨)結(jié)構(gòu)撓度校驗(yàn)系數(shù)介于 0.90～0.94之間,B工況加載時(shí)加載跨(A-A跨和 C-C跨)結(jié)構(gòu)撓度校驗(yàn)系數(shù)介于 0.88～0.97之間,C工況加載跨(C-C跨)結(jié)構(gòu)撓度校驗(yàn)系數(shù)介于 0.98～1.04之間。結(jié)構(gòu)撓度校驗(yàn)系數(shù)均處于合理范圍,表明橋跨結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度。

偏載工況見表 3。PA代表在 A-A跨偏載,PC代表在 C-C跨偏載。可以看出撓度偏載系數(shù)介于 1.03～1.10之間,偏載效應(yīng)不太明顯,說明橋梁有很好的抗扭剛度。

4.2.2 應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果與分析

各加載工況下實(shí)測(cè)截面應(yīng)力與理論計(jì)算值的對(duì)比情況見表 4。可以看出,各加載工況下測(cè)試截面應(yīng)力結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)介于 0.82～0.99之間,處于試驗(yàn)方法建議的合理范圍內(nèi)。實(shí)測(cè)應(yīng)變回零狀況良好,可見主梁處于彈性工作狀態(tài),說明主梁結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度。

表2 各加載工況撓度實(shí)測(cè)值與計(jì)算值比較

表3 偏載工況下?lián)隙葴y(cè)試結(jié)果及偏載系數(shù)

4.3 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果與分析

行車工況和跳車工況下的實(shí)測(cè)動(dòng)力系數(shù)見圖 5、圖 6?？梢钥闯?在行車激振工況下,A-A跨跨中動(dòng)力系數(shù)在 10～30 km/h的車速下,動(dòng)力系數(shù)隨車速的提高而增大。當(dāng)車速超過 30 km/h后,動(dòng)力系數(shù)反而減小。動(dòng)力系數(shù)介于 1.00～1.08之間,最大值出現(xiàn)在30 km/h,說明行車對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的沖擊作用較小。跳車動(dòng)力系數(shù)介于 1.26～1.86之間,10 km/h到 15 km/h速度區(qū)間為最大值車速。跳車作用下的動(dòng)力系數(shù)較行車時(shí)增大,說明當(dāng)橋面不平順時(shí),沖擊作用將增強(qiáng)。另外 30 km/h制動(dòng)動(dòng)力系數(shù)為 1.13,說明制動(dòng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的沖擊作用較小。從行車工況、跳車工況和制動(dòng)工況結(jié)果可看出,動(dòng)力系數(shù)與車輛運(yùn)動(dòng)速度和橋面的平整度有關(guān)。在車輛行駛過程中,不平整的橋面是橋梁振動(dòng)的主要因素,尤其是橋面單獨(dú)的凹陷或突起對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)影響更大,其影響程度取決于凹陷或突起區(qū)的位置和大小。所以,應(yīng)注意保持路面平整,以減少行車時(shí)對(duì)橋梁的沖擊。圖 7、圖 8給出了部分工況的實(shí)測(cè)應(yīng)變時(shí)域信號(hào),從圖中可以看出,跳車時(shí)截面應(yīng)變?cè)龇鄬?duì)較大。

圖5 行車工況動(dòng)力系數(shù)

圖6 跳車工況動(dòng)力系數(shù)

5 結(jié)論

通過對(duì)富山轉(zhuǎn)盤跨線橋靜動(dòng)力試驗(yàn)與計(jì)算分析,主要結(jié)論如下：

1)結(jié)構(gòu)基頻較高,剛度較大,動(dòng)力特性良好。實(shí)測(cè)橋梁為小阻尼振動(dòng),與橋梁設(shè)計(jì)要求相符。

圖7 行車工況 30 km/h應(yīng)變時(shí)域信號(hào)

圖8 跳車工況 30 km/h應(yīng)變時(shí)域信號(hào)

2)靜力荷載試驗(yàn)表明,結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載下處于彈性受力狀態(tài),橋跨結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度,結(jié)構(gòu)受力合理,符合設(shè)計(jì)要求,偏載效應(yīng)不明顯,橋梁抗扭剛度高。

3)無障礙行車對(duì)橋跨沖擊作用較小,有障礙行車較為明顯。應(yīng)注意保持路面平整,以減少行車時(shí)對(duì)橋梁的沖擊。

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U446

B

1003-1995(2010)03-0007-04

2009-08-27;

2009-11-27

劉羽宇(1981— ),男,四川自貢人,博士研究生。

(責(zé)任審編 趙其文)