劉羽宇

(中國民用航空飛行學(xué)院飛行技術(shù)學(xué)院，四川廣漢618307)

隨著我國鋼鐵工業(yè)和鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)橋梁越來越被眾多建設(shè)單位采用，鋼箱連續(xù)梁橋更是以其斷面小、抗扭剛度大、強(qiáng)度高、重量輕、外形簡潔流暢、設(shè)計(jì)方便和施工快捷迅速等優(yōu)點(diǎn)[1]而在城市交通中被廣泛應(yīng)用。

已建成的湖濱西路口跨線橋位于廈門市快速交通系統(tǒng)(BRT)一期工程一號線島內(nèi)段湖濱西路口處。主梁為4跨(27.5 m+2×42.5 m+27.5 m)連續(xù)鋼箱梁，鋼箱梁采用單箱單室斜腹板截面，梁高2.60 m。箱梁頂寬9.80 m，箱底寬4.46 m，兩側(cè)懸臂長度為1.78 m。為檢驗(yàn)該橋的設(shè)計(jì)合理性與施工質(zhì)量，確定工程的可靠性，判斷其實(shí)際承載能力，評價(jià)其在設(shè)計(jì)使用荷載下的工作性能，對該橋進(jìn)行了自振特性及靜、動(dòng)載試驗(yàn)研究，并用有限元軟件做了對比計(jì)算分析。

1 試驗(yàn)加載設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)加載設(shè)計(jì)

為合理進(jìn)行此連續(xù)鋼箱梁橋的荷載試驗(yàn)，針對該橋做了相應(yīng)的詳細(xì)計(jì)算分析工作。本次試驗(yàn)采用橋梁博士軟件計(jì)算了該鋼箱梁橋在城-B、BRT荷載以及直線電機(jī)B型車活載(設(shè)計(jì)控制荷載)作用下的結(jié)構(gòu)彎矩包絡(luò)圖，據(jù)此并結(jié)合橋跨實(shí)際情況確定了本橋的試驗(yàn)工況。全橋選取3個(gè)試驗(yàn)斷面，分別為第3跨及第4跨跨中最不利正彎矩及支點(diǎn)附近最不利負(fù)彎矩工況，如圖1所示。分別在每跨的1/4、1/2、3/4跨截面處設(shè)2個(gè)撓度測點(diǎn)，分別在A-A、B-B、C-C截面設(shè)17個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)，動(dòng)應(yīng)變測點(diǎn)選擇第三跨跨中C-C及第四跨跨中A-A截面上各三個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)進(jìn)行，如圖2，圖中“圓圈+箭頭”為撓度測點(diǎn)，實(shí)心三角形為靜應(yīng)變測點(diǎn)，帶實(shí)心圓點(diǎn)三角為動(dòng)應(yīng)變測點(diǎn)。

圖1 測試斷面(單位：mm)

圖2 主梁測點(diǎn)布置(單位：mm)

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容與方法

橋梁荷載試驗(yàn)是一項(xiàng)復(fù)雜而細(xì)致的工作，技術(shù)含量高，涉及面廣，一般分為靜載與動(dòng)載試驗(yàn)[2]。

1.2.1 靜載試驗(yàn)內(nèi)容與方法

靜載試驗(yàn)，包括各試驗(yàn)斷面的應(yīng)力測試和加載跨L/4、L/2、3L/4位置的豎向撓度，經(jīng)過優(yōu)化合并后，所確定的加載工況以及相應(yīng)的檢驗(yàn)、觀測項(xiàng)目見表1，每輛試驗(yàn)車輛重380±10 kN，軸距3.85 m+1.40 m。正式試驗(yàn)前,先對結(jié)構(gòu)預(yù)加載2次,以消除橋梁的非彈性變形。每個(gè)工況加載2次，加載時(shí)間應(yīng)充分長以保證橋梁完全變形，卸載以后，同樣需等結(jié)構(gòu)充分回復(fù)到初始狀態(tài)后再進(jìn)行加載。

表1 各靜力加載工況及觀測項(xiàng)目

1.2.2 動(dòng)載試驗(yàn)內(nèi)容與方法

動(dòng)力測試主要包括自振特性測試和行車激振試驗(yàn)。

自振特性測試，是研究振動(dòng)問題的基礎(chǔ)[3]，主要測定橋梁的自振頻率、振型和阻尼比。采用脈動(dòng)法測試該橋梁的自振頻率，并采用模態(tài)分析法得到對應(yīng)頻率的振型，根據(jù)功率譜用半功率點(diǎn)帶寬法計(jì)算阻尼比。試驗(yàn)中，所記錄的信號要足夠長，不飽和信號需要補(bǔ)充測試。

動(dòng)載試驗(yàn)分為無障礙行車試驗(yàn)、跳車試驗(yàn)和制動(dòng)試驗(yàn)，用一輛載重汽車作為加載荷載。受現(xiàn)場條件限制，無障礙行車試驗(yàn)車速為10～30 km/h，跳車試驗(yàn)行車車速5～30 km/h，制動(dòng)試驗(yàn)行車車速30 km/h。

2 有限元模型及計(jì)算方法

采用ANSYS有限元軟件建立該鋼箱梁橋的計(jì)算模型，如圖3。模型采用直接生成方法建立，其優(yōu)點(diǎn)是可以對幾何形狀及每個(gè)節(jié)點(diǎn)和單元的編號有完全的控制。根據(jù)橋梁主體是由鋼板這種薄壁件焊接而成且分析過程處于彈性階段的特點(diǎn)，選用殼單元shell63對其進(jìn)行離散, 這種單元可以承受平面內(nèi)荷載和法向荷載，能夠模擬計(jì)算實(shí)際結(jié)構(gòu)的彎曲和

薄膜應(yīng)力。為了在保證計(jì)算結(jié)果可靠性的基礎(chǔ)上降低運(yùn)算規(guī)模，有限元網(wǎng)格在加載附近和測點(diǎn)附近劃分較細(xì)，其它部分較粗[4]。橋梁上的附屬設(shè)施(包括橋面鋪裝)，由于對橋梁的剛度貢獻(xiàn)較小，故僅將其質(zhì)量折算到橋梁中，而不單獨(dú)模擬[5]。

計(jì)算內(nèi)容主要包括橋梁的自振特性和靜載工況(與靜載試驗(yàn)相對應(yīng))的計(jì)算。自振特性采用分塊Lanczos法求解器計(jì)算，具有求解精度高、速度快的特點(diǎn)。靜載工況計(jì)算由于主要研究橋梁各測試截面的撓度及應(yīng)變，因此，可將加載車輛簡化為集中力荷載來計(jì)算, 集中力的大小及施加的位置根據(jù)試驗(yàn)車輛的質(zhì)量和輪位確定。

圖3 橋梁模型局部

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 靜載試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1.1 撓度結(jié)果與分析

各工況下梁體撓度實(shí)測和計(jì)算值見表2?？梢钥闯觯瑢?shí)測值和計(jì)算值較接近，第3跨梁體最大位移實(shí)測值為14.97 mm，計(jì)算值為18.50 mm，第4跨梁體最大位移實(shí)測值為5.13 mm，計(jì)算值為7.11 mm，橋跨結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度。各工況下?lián)隙冉Y(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)介于0.60～1.05之間，基本處于合理范圍內(nèi)。

表2 梁體靜撓度實(shí)測值與計(jì)算值比較 mm

3.1.2 應(yīng)力實(shí)測結(jié)果與分析

各工況下該橋測試截面應(yīng)力實(shí)測和計(jì)算值見表3?？梢钥闯?，實(shí)測值和計(jì)算值同樣較為接近，測試截面的應(yīng)力結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)介于0.76～0.95之間，處于合理范圍內(nèi)。各工況中，梁體應(yīng)變回零良好, 結(jié)構(gòu)處于彈性受力狀態(tài)。該橋測試截面應(yīng)力較小，結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度。

表3 梁體應(yīng)力實(shí)測值與計(jì)算值比較

3.2 動(dòng)力試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1 自振特性結(jié)果與分析

由于結(jié)構(gòu)振動(dòng)是由若干個(gè)對應(yīng)不同頻率的主振動(dòng)迭加而成,而相應(yīng)于基頻的主振動(dòng)在結(jié)構(gòu)的合成振動(dòng)中占很大比例,是結(jié)構(gòu)振動(dòng)的主要部分。因而,通常主要以結(jié)構(gòu)第一階主振動(dòng)來評價(jià)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性[6]。由表4可見，自振頻率的實(shí)測值和計(jì)算值基本相符。橫向一階實(shí)測頻率為2.05 Hz，計(jì)算值為1.85 Hz；豎向一階實(shí)測頻率為3.03 Hz，計(jì)算值為2.99 Hz，說明結(jié)構(gòu)有較高的橫向和豎向剛度。實(shí)測一階阻尼比為0.029 ,結(jié)構(gòu)的阻尼系數(shù)較小, 振動(dòng)衰減較慢。

表4 橋梁自振頻率實(shí)測和計(jì)算值

3.2.2 行車試驗(yàn)結(jié)果與分析

無障礙行車工況下的實(shí)測沖擊系數(shù)見圖4。從圖中可見，測試截面的無障礙行車沖擊系數(shù)介于1.00～1.08之間，截面A-A行車沖擊系數(shù)峰值為1.05，截面C-C行車沖擊系數(shù)峰值為1.08，均出現(xiàn)在30 km/h車速，說明行車對橋梁結(jié)構(gòu)的沖擊作用較小。

圖4 無障礙行車時(shí)各截面的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與行車速度的關(guān)系

跳車工況下的實(shí)測沖擊系數(shù)見圖5。從圖中可見，跳車沖擊系數(shù)介于1.07～1.52之間，截面A-A、C-C跳車沖擊系數(shù)峰值均為1.52，但截面A-A出現(xiàn)在車速20 km/h時(shí)，C-C出現(xiàn)在車速25 km/h時(shí)。跳車沖擊系數(shù)較無障礙行車工況明顯增大，說明當(dāng)橋面凹凸不平時(shí)，車輛對橋梁將有顯著的沖擊作用，這與文獻(xiàn)[7]的試驗(yàn)結(jié)果一致。

此外，截面A-A、截面C-C30 km/h制動(dòng)沖擊系數(shù)均為1.11，說明在該速度下車輛的制動(dòng)作用力對橋梁結(jié)構(gòu)的沖擊作用不明顯。以上行車工況的沖擊系數(shù)均處于正常范圍。

圖5 跳車時(shí)各截面的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與行車速度的關(guān)系

4 結(jié)論

靜力荷載試驗(yàn)各工況下?lián)隙冉Y(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)和應(yīng)力結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)均處于合理范圍內(nèi)，該鋼箱梁橋具有足夠的剛度和強(qiáng)度，在各試驗(yàn)工況下均處于彈性工作狀態(tài)。

該鋼箱梁橋的自振頻率實(shí)測值和計(jì)算值基本相符，橫向和豎向基頻較大，具有較高的橫向和豎向剛度。

無障礙行車工況和30 km/h制動(dòng)工況對橋梁結(jié)構(gòu)的沖擊作用較?。惶嚬r沖擊系數(shù)較無障礙行車工況明顯增大。

[1] 張希黔，韋亮，張宏勝.城市鋼箱梁結(jié)構(gòu)立交橋的特點(diǎn)及安裝技術(shù)[J].施工技術(shù)，2004，33(9)

[2] 章日凱,王常青.橋梁荷載試驗(yàn)[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化,2005，(12)：69-72

[3] 李國豪.橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動(dòng)[M].修訂版.北京：中國鐵道出版社，1992:256

[4] 劉羽宇，葛玉梅，楊翊仁.跨座式輕軌鋼軌道梁的動(dòng)力特性有限元分析[J].世界橋梁，2010，(1)：41

[5] 劉羽宇，葛玉梅.尼爾森體系提籃拱橋自振特性分析[J]. 四川大學(xué)學(xué)報(bào):工程科學(xué)版, 2008, 40(增刊): 86

[6] 賈艷敏,楊艷敏.齊齊哈爾嫩江公路大橋動(dòng)載試驗(yàn)研究[J].公路交通科技,2000，17(增刊)：61

[7] 劉羽宇，葛玉梅，高玉峰,等.廈門BRT一期工程鋼箱梁橋靜動(dòng)載試驗(yàn)研究[J]. 鐵道建筑，2010，(3)：10