某索道橋成橋后的動(dòng)載試驗(yàn)研究與仿真分析

 引言
索道橋與懸索橋在受力上具有相似形式，均以鋼索作為主要承重構(gòu)件，不同的是索道橋的橋面系直接作用于主索上，從而有效縮小了矢跨比，并省去了許多建筑材料，節(jié)省了建筑施工時(shí)間，提高建筑施工經(jīng)濟(jì)效率。索道橋工程具有施工簡單、投資少、實(shí)用性高的特點(diǎn)，其在我國的山部地區(qū)特別實(shí)用。近些年為解決兩岸臨時(shí)交通問題，在許多山區(qū)高速公路、鐵路和水電站建設(shè)中，常建造索道橋。但是由于索道橋自身采用柔性建設(shè)性質(zhì)，它的負(fù)重要求比較低，當(dāng)重物等通過索道橋時(shí)它的橋面隨著重物的移動(dòng)而移動(dòng)，可以說幾何柔性特點(diǎn)效應(yīng)比較明顯。索道橋作為山區(qū)臨時(shí)交通設(shè)施，我國相關(guān)法律制度對(duì)于它的規(guī)范流程還存在一定程度的缺失，因此本文主要對(duì)橋進(jìn)行載物試驗(yàn)研究以及針對(duì)比較。
1 計(jì)算實(shí)例
1.1 橋梁概況 該索道橋全橋共設(shè)置54束（每束三根）懸吊索，懸吊索由穩(wěn)定索和橋面索組成，其中橋面索36束，人行道束2×3束，穩(wěn)定束2×6束。其材料均采用標(biāo)準(zhǔn)型1×7鋼絞線，外包PE防護(hù)，公稱直徑d=15.24mm，強(qiáng)度級(jí)別1860MP，整根鋼絞線最大負(fù)荷259KN，橋面橫梁采用Q235鋼。主要技術(shù)指標(biāo)：①懸吊索跨度：174m；②橋面寬度：4.5m；③懸吊索失跨比：1/40（工作垂度）；④懸吊索工作垂度：4.35m；⑤懸吊索分布寬度：14.0m；⑥橫梁間距：8.30m；⑦設(shè)計(jì)荷載：汽車40t（單車）。
1.2 建立有限元模型 分析采用有限元程序MIDAS。主纜和橫梁分別采用索單元和空間梁單元模擬，橋面系不單獨(dú)建模，根據(jù)本橋的受力特點(diǎn)，計(jì)算模型共計(jì)524個(gè)節(jié)點(diǎn)，922個(gè)單元。建模中將橋面系質(zhì)量根據(jù)杠桿原理分配于橫梁上。
本橋的實(shí)測跨中恒載垂度f=3.245m。通過反復(fù)試算，當(dāng)模型空纜垂度為1.07m時(shí)，計(jì)算得到恒載垂度為3.239m，與實(shí)測值相對(duì)誤差僅為0.18%，可認(rèn)為此時(shí)模型內(nèi)主纜單元軸力即為恒載索力。
1.3 結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析 該索道橋進(jìn)行動(dòng)載測試的主要目的：通過脈動(dòng)試驗(yàn)確定橋梁結(jié)構(gòu)固有的動(dòng)力特性參數(shù)（如頻率、振型和阻尼系數(shù)等）和通過跑車試驗(yàn)確定該橋梁的沖擊系數(shù)。
1.3.1 脈動(dòng)試驗(yàn) 脈動(dòng)試驗(yàn)是在建設(shè)的索道橋上安置具有高科技的傳感器，記錄索道橋結(jié)構(gòu)在環(huán)境作用下的變化，如自然因素風(fēng)、水流等；人為因素車流、車載等。依據(jù)傳感器所記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行譜分析，分析結(jié)構(gòu)自振特性的數(shù)據(jù)方式。假設(shè)環(huán)境激勵(lì)為各階段特征分析，中低頻段，外部影響的震動(dòng)比較平均，當(dāng)環(huán)境的激勵(lì)效果與索道橋自身震動(dòng)頻率一致時(shí)橋梁由于受到吸收環(huán)境的能量的效果，加大索道橋的振幅；而當(dāng)索道橋的橋面振幅與環(huán)境激勵(lì)的振幅有一定距離時(shí)，他們由于位置的原因，就會(huì)中途消耗一部分能量，降低振幅。對(duì)于傳感器檢測的數(shù)據(jù)在不同階段進(jìn)行功率譜平均值分析，利用不同的數(shù)據(jù)，計(jì)算索道橋各階段的自身頻率，利用半功率帶寬法確定各階頻率的阻尼比。
下列通過對(duì)脈動(dòng)測試信號(hào)進(jìn)行分析，得出全橋各階頻率、阻尼比；阻尼比采用東方所專用阻尼分析模塊進(jìn)行分析。在對(duì)該索道橋的自振頻率（周期）進(jìn)行計(jì)算時(shí)，只考慮了懸吊索、橫梁質(zhì)量和橋面板質(zhì)量的影響。脈動(dòng)測試結(jié)果及分析如表1所示。
由表1可以看出：索道橋的前二階段在豎向和橫向中的實(shí)際數(shù)據(jù)分析和理論數(shù)據(jù)分析的結(jié)果變化基本上是相同的。比較表中數(shù)值可以看出：該索道橋豎向?qū)崪y第一自振頻率為0.415Hz，理論計(jì)算值為0.40Hz，橫向第一自振頻率為0.391Hz，理論計(jì)算值為0.377Hz。即：索道橋的具體檢測數(shù)據(jù)大于理論數(shù)據(jù)，依據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)固有模態(tài)參數(shù)評(píng)定方法，引入狀態(tài)指標(biāo)S對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力剛度進(jìn)行分析。
S=fmi/fdi
其中：
S——狀態(tài)指標(biāo)；
fmi——實(shí)測自振頻率；
fdi——計(jì)算自振頻率；
對(duì)于橋梁上部結(jié)構(gòu)：
S>1.0時(shí)，結(jié)構(gòu)評(píng)定為較好狀態(tài)；
1.0>S>0.75時(shí)，結(jié)構(gòu)評(píng)定為較差狀態(tài)；
S<0.75時(shí)，結(jié)構(gòu)評(píng)定為危險(xiǎn)狀態(tài)；
對(duì)于該橋可以分別得出豎向和橫向狀態(tài)參數(shù)：
豎向：S=fmi/fdi=0.415/0.4=1.41
橫向：S=fmi/fdi=0.391/0.377=1.04
由上得出：檢測的數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)之間沒有差距，并且實(shí)際檢測數(shù)據(jù)大于理論數(shù)據(jù)，根據(jù)相關(guān)原理可以界定索道橋的結(jié)構(gòu)效果是良好的，尤其是在豎向和橫向的動(dòng)力值是符合要求的。
1.3.2 沖擊系數(shù)計(jì)算 在橋面無障礙的情況下，采用一輛載重汽車分別以5km/h、10km/h、15km/h的速度勻速試過全橋，產(chǎn)生激振，測試該索道橋的動(dòng)力特性和動(dòng)力響應(yīng)。不同速度載重車輛對(duì)橋梁產(chǎn)生沖擊時(shí)的沖擊系數(shù)如表2所示。
沖擊系數(shù)實(shí)測值的分析結(jié)果：
根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2004）規(guī)定，當(dāng)結(jié)構(gòu)基頻f≤1.5Hz時(shí)，沖擊系數(shù)μ=0.05，該橋的實(shí)測沖擊系數(shù)平均值：
1+μ=1.041 得：μ=0.041
從表2中的數(shù)據(jù)計(jì)算得出：該索道橋動(dòng)載試驗(yàn)實(shí)測沖擊系數(shù)平均值為0.041且該橋?qū)崪y動(dòng)力沖擊系數(shù)均小于按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2004）計(jì)算的沖擊系數(shù)μ=0.05，故該索道橋沖擊系數(shù)在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。
2 結(jié)語
本文利用有限元軟件MIDAS/civil創(chuàng)設(shè)的計(jì)算模型得出的數(shù)據(jù)對(duì)比與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析基本一致，由此可以驗(yàn)證此索道橋設(shè)計(jì)的合理性，并且此索道橋的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)以及計(jì)算結(jié)果過程等為以后的索道橋建設(shè)等方面提供了重要的數(shù)據(jù)參考。