厦门 BRT一期工程钢箱梁桥静动载试验研究

2010-09-04 04:43刘羽宇葛玉梅高玉峰霍学晋

铁道建筑 2010年3期

关键词：跳车钢箱梁挠度

刘羽宇,葛玉梅,高玉峰,霍学晋

(1.西南交通大学力学与工程学院,成都 610031;2.西南交通大学土木工程学院,成都 610031)

厦门 BRT一期工程钢箱梁桥静动载试验研究

刘羽宇1,葛玉梅1,高玉峰2,霍学晋2

(1.西南交通大学力学与工程学院,成都 610031;2.西南交通大学土木工程学院,成都 610031)

对厦门快速公共交通系统中一处小半径大跨度连续曲线钢箱梁桥进行了静动载试验研究。测试并分析了该桥的自振特性,静载工况下的挠度、截面应力和行车激振试验工况的冲击作用。试验结果表明桥梁在使用荷载下处于弹性工作状态,桥跨结构设计合理,具有良好的强度与刚度,满足设计要求。

连续曲线钢箱梁桥小半径大跨度静载试验动载试验

0 引言

近年来,作为解决日益严重的交通问题的一种方案,城市高架快速交通系统得到了很快的发展。高架桥结构布置的难点一般在道路转弯的曲线段处,受地形、地物、占地面积和交通的影响,墩位布置受到种种限制。跨径较小的普通钢筋混凝土连续曲梁难以满足这种需要,因此多选用有较大跨越能力的预应力混凝土连续曲梁和连续曲线钢箱梁。但在施工工期、施工交通组织要求较严的情况下,采用满堂支架浇筑的预应力混凝土连续曲梁也难达到要求,而需选用连续曲线钢箱梁,采用大节段整体吊装的施工方法满足交通要求[1]。目前,对连续曲线钢箱梁桥的研究还主要在设计、施工和静力研究等方面[2-4],对其动力特性研究成果较少,实测研究结果更少。

已建成的厦门市快速交通(BRT)一期工程一号线岛内段起自第一码头,与正在建设的集美大桥对接,全线高架,线路全长 15.349 km。设计运行 BRT车辆及预留直线电机 B型列车。本文选取其中小半径大跨度连续曲线钢箱梁——富山转盘跨线桥为研究对象,对其静动力学特性进行实桥的测试与分析。并将其自振特性和静载试验结果与理论计算值相比较,考察桥梁的自振特性、静力特性及车速对其动力特性的影响,了解桥跨结构的实际工作状态,判断实际承载能力,为此类连续曲线钢箱梁桥的工程应用提供理论依据。

1 桥梁概况

富山转盘跨线桥为小半径大跨度连续曲线钢箱梁桥,跨径布置为(49.75+60.00+49.75)m。平面线型由直线、缓和曲线和圆曲线构成,圆曲线半径 152.12 m,桥面位于超高渐变段和加宽段上。钢箱梁采用单箱室斜腹板截面,梁高 3.0 m,箱梁顶宽第一跨为 9.8～10.9 m,其余为 10.9 m,底宽 4.46 m。梁顶宽度通过两侧悬臂长度调整,悬臂长度第一跨为 1.78～2.33 m,其余为 2.33m。钢材材质为 Q345qD。桥面采用正交异性板结构,一般截面顶板板厚 14 mm,底板一般厚16 mm,中支点附近加厚为 24mm,腹板一般厚 14mm,中支点附近加厚为 16mm,边支点附近加厚为 20mm。横隔板厚 14 mm,支点处加厚为 32mm。梁底通过支座垫块调整,以便水平放置支座。设计行车速度 40 km/h。

2 试验加载设计与试验方法

2.1 试验加载设计

试验加载位置与加载工况的确定,主要根据设计控制荷载在主梁上产生的最不利弯矩效应值按 0.80～1.05的效率系数等效换算而得,并尽可能用最少的加载车辆达到最大的试验荷载效率。采用桥梁博士分别计算了在城 B、BRT荷载以及设计控制荷载——直线电机 B型车作用下的活载效应图(图 1)。根据计算结果及桥跨实际情况确定了本桥的试验加载工况,全桥选取三个试验截面,分别为 183号墩～184号墩之间 A-A截面和 184号墩～185号墩之间 C-C截面最不利正弯矩工况,184号墩支点附近 B-B截面最不利负弯矩工况,如图 2所示。在每跨的 L/4、L/2、3L/4截面处设 2个挠度测点(图中以“圆圈 +箭头”表示),分别在 A-A、B-B、C-C截面设 15个应变测点,如图 3。图中三角形符号表示应变测点,动应变测点以实心三角形表示,全桥共 45个应变测点。试验车辆共采用 9辆三轴自卸载重卡车,每辆车总重(380±10)kN,轴距(3.85+1.40)m。

图1 设计控制荷载的活载效应(单位：kN◦m)

图2 测试断面(单位：cm)

图3 截面测点布置(单位：cm)

2.2 试验内容与方法

本次试验包括自振特性测试和静动载试验,为避免温度和环境的影响,试验安排在凌晨进行。

自振特性测试,测定桥跨结构固有振动特性,包括频率、振型和阻尼比。采用脉动法测试桥面无交通荷载以及桥址附近无规则振源的情况下,由桥址处风荷载、地脉动等随机荷载激振而引起的桥跨结构的微小振动响应。通过对脉动信号进行 FFT分析,直接得到自振频率。振型测量通过在水平或竖直方向布置一定数量的拾振点,同时测量各拾振点的脉动信号,应用模态分析法识别对应频率的振型。阻尼比是根据功率谱用半功率点带宽法计算而得。记录信号要有足够的长度,对于信号不饱和应进行补充测试记录。

静载试验,包括各试验加载截面的应力测试和梁体竖向挠度的测试,目的是检验桥梁结构在车辆荷载作用下的变形及主要受力构件的应力状态。根据试验加载设计方案确定 4个工况：工况① 6辆车排成 3列 2行(行距 15m,第 1行距离 183号墩 20.6 m),测读 A-A截面应力和各跨挠度,以下称 A工况;工况② 6辆车排成 3列 2行 (行距 15 m,第 1行距离184号墩 15 m),测读 C-C截面应力和各跨挠度,以下称 C工况;工况③ 共 9辆车,其中 6辆车按工况 1布置,另 3辆排成 3列 1行,距离 184号墩 30m,测读 BB截面应力和各跨挠度,以下称 B工况;工况④ 第①、②工况去掉最边上 1列,测读偏心加载时的截面应力和各跨挠度。正式加载前,先对结构进行两次预加载,以消除结构非弹性变形。每个工况均加载两次,每次加载时间应充分长,保证结构完全变形。卸载后,也应等桥梁回复到初始状态后再加载。挠度采用百分表读取。应力测试采用粘贴箔式应变计,由电阻应变测量系统测量。为了消除温度变化的影响,每个电阻应变片均配有相应的温度补偿片。

动载试验,包括速度为 10～40 km/h无障碍行车时桥梁的动力响应和速度为 5～30 km/h、高度为 7.5 cm的三角形板跳车和 30 km/h制动时桥梁的动力响应。无障碍行车试验的目的是了解结构的动应变、动位移、竖向与横向等振动特性,以检验结构在动载作用下的工作状态。跳车试验目的是模拟桥面铺装局部损伤状态,桥跨结构在运行车辆荷载作用下的动力响应。跳车板置于 A-A跨 L/2附近。由动态应变仪测试主梁的动态应变,并由桥梁光电挠度仪测试主梁的动挠度。

3 有限元计算模型

桥梁计算在 Ansys中建模计算,模型如图 4。用壳单元建立桥梁的空间模型,建模采用人工控制节点建模的方式,在加载附近和测点附近划分单元较细,其他部分划分单元较粗。这样既能保证计算结果的可靠性,又能最大的减少模型单元和节点数,降低运算规模。建模中除按照设计要求对桥梁约束放松外,还要特别考虑实际结构中支座的大小和位置对结构的影响,在支座位置处按照支座的大小建立节点和单元。模型简化了桥梁上的附属设施,在计算中将其质量等效到各相应的位置处。将加载车辆简化为集中力荷载(前轮重 50 kN,后轮重 70 kN,总重 2×50+4×70=380 kN),加于试验工况中每个车轮的位置。

图4 桥梁计算模型局部

4 试验结果与分析

4.1 自振特性实测结果与分析

表1列出了结构的实测和计算频率及振型。由表1可见,桥梁基频实测值为 2.15 Hz,计算值为 2.00 Hz,实测与计算值较接近,且略大于计算值,说明梁体的横向刚度较大。实测 1阶阻尼比为 0.030,说明结构的阻尼较小,振动衰减较慢。

表1 结构自振频率实测和计算值

4.2 静载试验结果与分析

4.2.1 挠度实测结果与分析

各工况下各跨挠度实测和计算结果如表 2。可以看出,A工况 A-A跨梁体最大位移实测值为 22.75 mm,计算值为 24.78mm,C工况 C-C跨梁体最大位移实测值为 26.00mm,计算值为 26.52mm。A工况加载跨(A-A跨)结构挠度校验系数介于 0.90～0.94之间,B工况加载时加载跨(A-A跨和 C-C跨)结构挠度校验系数介于 0.88～0.97之间,C工况加载跨(C-C跨)结构挠度校验系数介于 0.98～1.04之间。结构挠度校验系数均处于合理范围,表明桥跨结构具有足够的刚度。

偏载工况见表 3。PA代表在 A-A跨偏载,PC代表在 C-C跨偏载。可以看出挠度偏载系数介于 1.03～1.10之间,偏载效应不太明显,说明桥梁有很好的抗扭刚度。

4.2.2 应力实测结果与分析

各加载工况下实测截面应力与理论计算值的对比情况见表 4。可以看出,各加载工况下测试截面应力结构校验系数介于 0.82～0.99之间,处于试验方法建议的合理范围内。实测应变回零状况良好,可见主梁处于弹性工作状态,说明主梁结构具有足够的强度。

表2 各加载工况挠度实测值与计算值比较

表3 偏载工况下挠度测试结果及偏载系数

4.3 动载试验结果与分析

行车工况和跳车工况下的实测动力系数见图 5、图 6。可以看出,在行车激振工况下,A-A跨跨中动力系数在 10～30 km/h的车速下,动力系数随车速的提高而增大。当车速超过 30 km/h后,动力系数反而减小。动力系数介于 1.00～1.08之间,最大值出现在30 km/h,说明行车对桥梁结构的冲击作用较小。跳车动力系数介于 1.26～1.86之间,10 km/h到 15 km/h速度区间为最大值车速。跳车作用下的动力系数较行车时增大,说明当桥面不平顺时,冲击作用将增强。另外 30 km/h制动动力系数为 1.13,说明制动对桥梁结构的冲击作用较小。从行车工况、跳车工况和制动工况结果可看出,动力系数与车辆运动速度和桥面的平整度有关。在车辆行驶过程中,不平整的桥面是桥梁振动的主要因素,尤其是桥面单独的凹陷或突起对结构振动影响更大,其影响程度取决于凹陷或突起区的位置和大小。所以,应注意保持路面平整,以减少行车时对桥梁的冲击。图 7、图 8给出了部分工况的实测应变时域信号,从图中可以看出,跳车时截面应变增幅相对较大。