周　磊， 趙　劍， 周建庭

(1.貴州省質(zhì)安交通工程監(jiān)控檢測(cè)中心有限責(zé)任公司， 貴州 貴陽　550000；　2.重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院， 重慶　400074)

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忠縣長(zhǎng)江大橋動(dòng)力特性試驗(yàn)研究

周磊1， 趙劍1， 周建庭2

(1.貴州省質(zhì)安交通工程監(jiān)控檢測(cè)中心有限責(zé)任公司， 貴州 貴陽550000；2.重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院， 重慶400074)

[摘要]介紹了重慶忠縣長(zhǎng)江大橋斜拉橋動(dòng)力荷載試驗(yàn)方法和過程，并且對(duì)動(dòng)載固有頻率、控制截面影響線、動(dòng)應(yīng)變等參數(shù)實(shí)測(cè)值和計(jì)算值進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，控制截面測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)基頻跟計(jì)算值也比較吻合，實(shí)測(cè)影響線與計(jì)算值規(guī)律完全符合，結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能良好，結(jié)果可為同類橋梁檢測(cè)評(píng)定提供參考。

[關(guān)鍵詞]懸索橋； 荷載試驗(yàn)； 固有頻率； 影響線； 動(dòng)應(yīng)變； 動(dòng)力性能

1工程概況

重慶忠縣長(zhǎng)江大橋是連接廣元到彭水、石柱到遂寧、重慶到巴東等關(guān)鍵路線的懸索橋，橋跨布置為5×17 m+2×28 m+560 m+10×49.44 m。主橋?yàn)閱慰?60 m鋼管桁架懸索橋，垂跨比為1/10.5，上下游主纜中心距離為19.50 m。主梁為鋼管桁架加勁梁，上下弦桿中心高3.3 m，桁架主弦管采用16 Mn直縫焊接鋼管或無縫鋼管，外徑325 mm，腹桿及下橫聯(lián)采用無縫鋼管，外徑152 mm。

該橋從設(shè)計(jì)到施工科技含量都較高，與國(guó)內(nèi)同類橋梁相比投資較省，其中大橋巖錨設(shè)計(jì)為隧道式錨碇加巖錨，屬國(guó)內(nèi)首次采用；桁架技術(shù)采用全焊式鋼管空心結(jié)構(gòu)，為世界首次使用。

2測(cè)試內(nèi)容及測(cè)點(diǎn)布置

2.1測(cè)試內(nèi)容

橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，是橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)系統(tǒng)的基本特征，包括固有頻率、阻尼系數(shù)和振型等，只與橋梁結(jié)構(gòu)的形式、質(zhì)量分布、剛度、支承情況等有關(guān)，與外載荷無關(guān)。

橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)載試驗(yàn)(見圖1)，通過大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)信號(hào)，揭示橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)的內(nèi)在規(guī)律，綜合評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能。

主橋動(dòng)力特性測(cè)試主要檢測(cè)固有頻率、阻尼比；主橋中跨測(cè)試截面動(dòng)力響應(yīng)檢測(cè)，包括動(dòng)應(yīng)變、振動(dòng)加速度、沖擊效應(yīng)，針對(duì)主橋共進(jìn)行了5種車速無障礙跑車、3個(gè)部位(J1、J2、J3)的障礙跑車和3個(gè)部位(J1、J2、J3)的剎車試驗(yàn)。具體試驗(yàn)程序見表1。

圖1　結(jié)構(gòu)應(yīng)力(應(yīng)變)測(cè)試、動(dòng)載試驗(yàn)截面布置圖Figure 1　Structural stress(strain)testing，dynamic 　　　load test-section layout

表1 動(dòng)力試驗(yàn)程序表Table1 Dynamictestproceduretable序號(hào)工況內(nèi)容測(cè)試部位備注111.1km/h跑車J1～J3下弦桿應(yīng)變J1～J3截面加速度9#、11、17#車220.7km/h跑車J1～J3下弦桿應(yīng)變J1～J3截面加速度9#、11、17#車330.3km/h跑車J1～J3下弦桿應(yīng)變J1～J3截面加速度9#、11、17#車440.0km/h跑車J1～J3下弦桿應(yīng)變J1～J3截面加速度9#、11、17#車550.0km/h跑車J1～J3下弦桿應(yīng)變J1～J3截面加速度9#、11、17#車610.5km/h跑車J1障礙J1～J3下弦桿應(yīng)變J1～J3截面加速度9#、17#車711.2km/h跑車J2障礙J1～J3下弦桿應(yīng)變J1～J3截面加速度9#、17#車810.5km/h跑車J3障礙J1～J3下弦桿應(yīng)變J1～J3截面加速度9#、17#車928.8km/h跑車J1剎車J1下弦桿應(yīng)變J1截面加速度9#、17#車1029.3km/h跑車J2剎車J2下弦桿應(yīng)變J2截面加速度9#、17#車1125.9km/h跑車J3剎車J3下弦桿應(yīng)變J3截面加速度9#、17#車12脈動(dòng)測(cè)試橋面加速度測(cè)點(diǎn)———

2.2測(cè)點(diǎn)布置

2.2.1脈動(dòng)測(cè)試加速度測(cè)點(diǎn)

脈動(dòng)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置如圖2、圖3所示，在橋面軸線處按35 m等間距布置15個(gè)加速度測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)由南往北順序編號(hào)。取第7個(gè)測(cè)點(diǎn)作為參考點(diǎn)進(jìn)行脈動(dòng)信號(hào)采集，采用模態(tài)分析軟件分析測(cè)定加勁梁縱向豎直平面內(nèi)的固有振動(dòng)特性；并在跨中段上下游車行道邊緣各布置3個(gè)加速度測(cè)點(diǎn)(間距35 mm)，取橋軸線第7個(gè)測(cè)點(diǎn)作為參考點(diǎn)進(jìn)行脈動(dòng)信號(hào)采集，采用模態(tài)分析軟件分析加勁梁扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性。

圖2　橋面加速度測(cè)點(diǎn)布置立面圖Figure 2　Deck elevation acceleration measuring points

圖3　橋面加速度測(cè)點(diǎn)布置平面圖(單位： m)Figure 3　Deck acceleration measuring points plan(unit： m)

2.2.2行車動(dòng)力響應(yīng)動(dòng)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)

動(dòng)應(yīng)變測(cè)試截面設(shè)在加勁梁的L/2、3L/4、7L/8截面，即靜力試驗(yàn)的J1、J2和J3測(cè)試截面(見圖1)，每個(gè)截面在1#、2#、3#下弦桿的底部各布置一個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)(見圖4)。

2.2.3行車動(dòng)力響應(yīng)振動(dòng)加速度測(cè)點(diǎn)

振動(dòng)加速度采用HD610磁電式測(cè)振傳感器進(jìn)行測(cè)定，測(cè)點(diǎn)分別豎向布置在加勁梁J1、J2和J3截面(見圖4)。

圖4　動(dòng)載測(cè)試截面加速度、動(dòng)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置示意圖Figure 4　Dynamic load test section of acceleration，　　　dynamic strain measuring points Schematic

3頻率與阻尼比測(cè)試

3.1主跨振型計(jì)算結(jié)果

采用Midas civil有限元空間模型計(jì)算結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，圖5為主跨1～7階理論振型圖。

3.2脈動(dòng)實(shí)測(cè)結(jié)果

采用超低頻高靈敏測(cè)振傳感器采集主橋脈動(dòng)信號(hào)，通過軟件進(jìn)行模態(tài)分析得到主橋的前7階固有振動(dòng)頻率及阻尼比，圖6～圖8為主橋結(jié)構(gòu)脈動(dòng)測(cè)試模態(tài)分析相關(guān)圖譜，檢測(cè)結(jié)果見表2。

(a) 主橋1階振型(對(duì)稱，橫向彎曲，f1=0.123 Hz)

(b) 主橋2階振型(反對(duì)稱，豎向彎曲，f2=0.173 Hz)

(c) 主橋3階振型(對(duì)稱，豎向彎曲，f3=0.222 Hz)

(d) 主橋4階振型(對(duì)稱，豎向彎曲，f4=0.296 Hz)

(e) 主橋5階振型(反對(duì)稱，橫向彎扭，f5=0.342 Hz)

(f) 主橋6階振型(反對(duì)稱，豎向彎曲，f6=0.367 Hz)

(g) 主橋7階振型(反對(duì)稱，豎向彎曲，f7=0.397 Hz)

圖6　脈動(dòng)測(cè)試幅值譜瀑布圖Figure 6　Pulsation amplitude spectrum waterfall test

圖7　脈動(dòng)測(cè)試1#測(cè)點(diǎn)譜分析圖Figure 7　Pulsating test 1# measured point spectrum analysis chart

圖8　脈動(dòng)測(cè)試15#測(cè)點(diǎn)譜分析圖Figure 8　Pulsating test 15# measured point spectrum analysis chart

表2 主跨結(jié)構(gòu)脈動(dòng)自振特性測(cè)試結(jié)果Table2 Mainspanstructurepulsatingvibrationcharacter-isticsofthetestresults階次頻率實(shí)測(cè)值計(jì)算值頻率比阻尼比/%振型說明10.1570.1231.280.12對(duì)稱,橫向彎曲20.1920.1731.110.17反對(duì)稱,豎向彎曲30.2290.2221.030.22對(duì)稱,豎向彎曲40.2730.2960.920.30對(duì)稱,豎向彎曲50.3270.3420.960.34反對(duì)稱,橫向彎扭60.3760.3671.020.37反對(duì)稱,豎向彎曲70.4870.3971.230.40反對(duì)稱,豎向彎曲

4應(yīng)變影響線測(cè)試

對(duì)低速無障礙跑車試驗(yàn)(10.1 km/h)的動(dòng)應(yīng)變信號(hào)進(jìn)行濾波處理得到準(zhǔn)靜態(tài)分量，即為相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變影響線。J1、J2、J3截面下弦實(shí)測(cè)應(yīng)變影響線如圖9所示。

結(jié)果可以看出：實(shí)測(cè)應(yīng)變影響線與計(jì)算值規(guī)律很吻合。

J1截面

J2截面J3截面

Figure 9J1，J2，J3 section of the bottom chord strain influence lines

5動(dòng)應(yīng)變、加速度響應(yīng)測(cè)試

① 在橋面無障礙情況，采用3輛加載車(9#、11#、17#)以橋軸線為對(duì)稱軸并排勻速通過橋梁，車速為11.1～50.0 km/h，通過測(cè)定振動(dòng)加速度、動(dòng)應(yīng)變，考察不同車速作用下，測(cè)試部位的動(dòng)力增大效應(yīng)。

② 障礙跑車采用9#、17#加載車居中勻速行駛(車速約10 km/h)，分別通過放置在L/2、3L/4、7L/8截面高度約12 cm的障礙物，模擬橋面不平整時(shí)汽車荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的沖擊作用。

③ 采用2臺(tái)加載車(9#、17#)以橋軸線為對(duì)稱軸并排勻速行駛(車速約30 km/h)，在指定位置緊急剎車，通過測(cè)定主跨L/2、3L/4、7L/8截面振動(dòng)加速度、動(dòng)應(yīng)變，考察橋梁在車輛制動(dòng)力作用下的動(dòng)力響應(yīng)。剎車試驗(yàn)部位為主橋中跨J5和J6截面。

跑車和剎車試驗(yàn)動(dòng)力響應(yīng)檢測(cè)結(jié)果見表3，部分實(shí)測(cè)動(dòng)力響應(yīng)曲線見圖10～圖12。

表3 無障礙跑車試驗(yàn)和障礙跑車、剎車試驗(yàn)J1、J2、J3截面下弦桿動(dòng)力響應(yīng)檢測(cè)結(jié)果Table3 Barrier-freecartestandobstaclessportscar,braketestJ1,J2,J3bottomchordsectionofthedynamicresponseofthetestresults內(nèi)容工況無障礙跑車試驗(yàn)障礙跑車、剎車試驗(yàn)11.1跑車20.7跑車30.3跑車40.0跑車50.0跑車10.5J1障礙跑車11.2J2障礙跑車10.5J3障礙跑車28.8J1剎車29.3J2剎車25.9J3剎車J1截面豎向加速度ap-p0.1870.3180.3801.3201.1304.4541.4121.7630.296——J2截面豎向加速度ap-p0.2310.3080.3101.0020.8872.2472.8951.741—0.289—J3截面橫向加速度ap-p0.3480.2650.3850.6360.8302.7531.6802.449——0.352J1動(dòng)應(yīng)變(1×10-6)1#下弦εdmax386.2379.3389.4420.9410.1355.1247.3255.1253.3——2#下弦εdmin422.2414.7423.9444.9449.6394.9364.4276.5274.7——J2動(dòng)應(yīng)變(1×10-6)2#下弦εdmax397.5393.4401.1414.2420.2249.9322.5240.0—253.8—3#下弦εdmin389.9394.3387.6392.4409.4250.2315.3248.8—253.2—J3動(dòng)應(yīng)變(1×10-6)1#下弦εdmax396.9397.0397.8392.4418.5255.4257.5260.0——253.73#下弦εdmin427.7434.1423.1426.6455.4276.4257.5275.1——271.9 注:應(yīng)變受拉為正,實(shí)測(cè)應(yīng)變?yōu)閯?dòng)應(yīng)變時(shí)程中的最大值;欄目中數(shù)字為車速,單位km/h,表值中加速度單位m/s2。

圖10　50 km/h跑車試驗(yàn)J1、J2、J3截面實(shí)測(cè)動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)

圖11　11.2 km/h 3L/4障礙跑車試驗(yàn)J1、J2、J3截面　　　實(shí)測(cè)動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)Figure 11　11.2 km/h 3L/4 obstacles car test J1，J2，J3-　　　section measured dynamic strain response

圖12　28.8 km/h L/2截面剎車試驗(yàn)J1截面實(shí)測(cè)動(dòng)　　　應(yīng)變響應(yīng)Figure 12　28.8 km/h L/2 section of brake test J1-　　　section measured dynamic strain response

通過對(duì)動(dòng)應(yīng)變時(shí)間歷程曲線的計(jì)算可得到測(cè)試截面的應(yīng)變?cè)龃笙禂?shù)：

式中：εdmax為最大動(dòng)應(yīng)變；εjmax為最大靜應(yīng)變；εp為動(dòng)應(yīng)變信號(hào)半峰值。

K值反映了移動(dòng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的沖擊效應(yīng)，圖13為測(cè)試截面應(yīng)變?cè)龃笙禂?shù)隨車速的變化曲線，圖14為測(cè)試截面振動(dòng)加速度隨車速的變化曲線。

圖13　測(cè)試截面應(yīng)變?cè)龃笙禂?shù)隨車速的變化曲線Figure 13　Test-sectional view of the strain increases the 　　　coefficient varies with the speed of the curve

圖14　測(cè)試截面豎向振動(dòng)加速度隨車速的變化曲線Figure 14　Test section of the vertical vibration acceleration 　　　varies with the speed of the curve

6結(jié)語

① 利用模態(tài)分析軟件對(duì)主橋脈動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到主橋前7階振型及固有頻率，其中第2、3、4階為豎向彎曲振型，實(shí)測(cè)頻率分別為0.173、 0.222、 0.296 Hz，與理論計(jì)算值的比值分別為1.11、1.03和0.92。

② 11.1～50.0 km/h跑車試驗(yàn)L/2截面下弦桿實(shí)測(cè)應(yīng)變?cè)龃笙禂?shù)為1.00～1.07，40 km/h車速時(shí)最大，3L/4截面下弦桿實(shí)測(cè)應(yīng)變?cè)龃笙禂?shù)為1.00～1.03，50 km/h車速時(shí)最大，7L/8截面下弦桿實(shí)測(cè)應(yīng)變?cè)龃笙禂?shù)為1.00～1.07，50 km/h車速時(shí)最大。動(dòng)力試驗(yàn)表明，在車速低于40 km/h時(shí)，各測(cè)試截面的沖擊效應(yīng)較小(應(yīng)變?cè)龃笙禂?shù)小于1.03)；當(dāng)車速達(dá)到或超過40 km/h時(shí)，L/2、7L/8截面的實(shí)測(cè)應(yīng)變?cè)龃笙禂?shù)略大于現(xiàn)行規(guī)范值(該橋的原設(shè)計(jì)規(guī)范不計(jì)沖擊效應(yīng)，即1+μ=1.00，現(xiàn)行規(guī)范的沖擊效應(yīng)取值為1+μ=1.05)，隨著行駛速度增加，車輛對(duì)結(jié)構(gòu)的沖擊效應(yīng)也相應(yīng)增大。

③ 試驗(yàn)動(dòng)荷載作用下，L/2、3L/4、7L/8截面的實(shí)測(cè)加速度最大峰-峰分別為1.130、1.002和0.830 m/s2，且隨車速提高呈增大趨勢(shì)，與圖7～圖9所示的應(yīng)變?cè)龃笙禂?shù)隨車速的變化規(guī)律吻合。

④ 接近30 km/h車速的剎車試驗(yàn)結(jié)果表明，車輛緊急制動(dòng)后各控制部位的動(dòng)應(yīng)變、加速度響應(yīng)正常。

⑤ 障礙跑車試驗(yàn)結(jié)果顯示，車輛越過障礙物時(shí)

對(duì)應(yīng)截面的應(yīng)變?cè)龃笙禂?shù)顯著變大，其中L/2截面的應(yīng)變?cè)龃笙禂?shù)達(dá)1.36，可見橋面不平整會(huì)使汽車荷載的沖擊效應(yīng)顯著增大，橋梁運(yùn)營(yíng)期間應(yīng)保持橋面平順，以減小沖擊效應(yīng)。

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Experimental Study on Dynamic Characteristics of Zhongxian Yangtze River Bridge

ZHOU Lei， ZHAO Jian， ZHOU Jianting

(1.Guizhou Province Zhian Traffic Engineering Monitor and Testing Center co.， Ltd， Guiyang， Guizhou 550000， China；2.School of Civil Engineering & Architecture， Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400074， China)

[Abstract]Zhongxian Yangtze River Bridge introduced suspension bridge dynamic load test methods and procedures， and the natural frequency of the dynamic load control section of influence lines，parameters measured and calculated values of dynamic strain were compared.The results show that the control section of the measuring point measured fundamental frequency is also more consistent with the calculated values，the measured and calculated values influence line in full compliance with the law，well-structured dynamic performance，the results can provide a reference for similar bridge inspection rating.

[Key words]suspension bridge； load test； natural frequency； influence line； dynamic strain； dynamic performance

[中圖分類號(hào)]U 448.27

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1674—0610(2016)02—0084—05

[作者簡(jiǎn)介]周磊(1987—)，男，河南南陽人，碩士，工程師，研究方向?yàn)闃蛄簷z測(cè)、加固與健康監(jiān)測(cè)。

[基金項(xiàng)目]國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51278512/E080505)

[收稿日期]2014—09—29