某索道桥成桥后的动载试验研究与仿真分析

 引言
索道桥与悬索桥在受力上具有相似形式，均以钢索作为主要承重构件，不同的是索道桥的桥面系直接作用于主索上，从而有效缩小了矢跨比，并省去了许多建筑材料，节省了建筑施工时间，提高建筑施工经济效率。索道桥工程具有施工简单、投资少、实用性高的特点，其在我国的山部地区特别实用。近些年为解决两岸临时交通问题，在许多山区高速公路、铁路和水电站建设中，常建造索道桥。但是由于索道桥自身采用柔性建设性质，它的负重要求比较低，当重物等通过索道桥时它的桥面随着重物的移动而移动，可以说几何柔性特点效应比较明显。索道桥作为山区临时交通设施，我国相关法律制度对于它的规范流程还存在一定程度的缺失，因此本文主要对桥进行载物试验研究以及针对比较。
1 计算实例
1.1 桥梁概况 该索道桥全桥共设置54束（每束三根）悬吊索，悬吊索由稳定索和桥面索组成，其中桥面索36束，人行道束2×3束，稳定束2×6束。其材料均采用标准型1×7钢绞线，外包PE防护，公称直径d=15.24mm，强度级别1860MP，整根钢绞线最大负荷259KN，桥面横梁采用Q235钢。主要技术指标：①悬吊索跨度：174m；②桥面宽度：4.5m；③悬吊索失跨比：1/40（工作垂度）；④悬吊索工作垂度：4.35m；⑤悬吊索分布宽度：14.0m；⑥横梁间距：8.30m；⑦设计荷载：汽车40t（单车）。
1.2 建立有限元模型 分析采用有限元程序MIDAS。主缆和横梁分别采用索单元和空间梁单元模拟，桥面系不单独建模，根据本桥的受力特点，计算模型共计524个节点，922个单元。建模中将桥面系质量根据杠杆原理分配于横梁上。
本桥的实测跨中恒载垂度f=3.245m。通过反复试算，当模型空缆垂度为1.07m时，计算得到恒载垂度为3.239m，与实测值相对误差仅为0.18%，可认为此时模型内主缆单元轴力即为恒载索力。
1.3 结构动力分析 该索道桥进行动载测试的主要目的：通过脉动试验确定桥梁结构固有的动力特性参数（如频率、振型和阻尼系数等）和通过跑车试验确定该桥梁的冲击系数。
1.3.1 脉动试验 脉动试验是在建设的索道桥上安置具有高科技的传感器，记录索道桥结构在环境作用下的变化，如自然因素风、水流等；人为因素车流、车载等。依据传感器所记录的数据进行谱分析，分析结构自振特性的数据方式。假设环境激励为各阶段特征分析，中低频段，外部影响的震动比较平均，当环境的激励效果与索道桥自身震动频率一致时桥梁由于受到吸收环境的能量的效果，加大索道桥的振幅；而当索道桥的桥面振幅与环境激励的振幅有一定距离时，他们由于位置的原因，就会中途消耗一部分能量，降低振幅。对于传感器检测的数据在不同阶段进行功率谱平均值分析，利用不同的数据，计算索道桥各阶段的自身频率，利用半功率带宽法确定各阶频率的阻尼比。
下列通过对脉动测试信号进行分析，得出全桥各阶频率、阻尼比；阻尼比采用东方所专用阻尼分析模块进行分析。在对该索道桥的自振频率（周期）进行计算时，只考虑了悬吊索、横梁质量和桥面板质量的影响。脉动测试结果及分析如表1所示。
由表1可以看出：索道桥的前二阶段在竖向和横向中的实际数据分析和理论数据分析的结果变化基本上是相同的。比较表中数值可以看出：该索道桥竖向实测第一自振频率为0.415Hz，理论计算值为0.40Hz，横向第一自振频率为0.391Hz，理论计算值为0.377Hz。即：索道桥的具体检测数据大于理论数据，依据桥梁结构固有模态参数评定方法，引入状态指标S对结构的动力刚度进行分析。
S=fmi/fdi
其中：
S——状态指标；
fmi——实测自振频率；
fdi——计算自振频率；
对于桥梁上部结构：
S>1.0时，结构评定为较好状态；
1.0>S>0.75时，结构评定为较差状态；
S<0.75时，结构评定为危险状态；
对于该桥可以分别得出竖向和横向状态参数：
竖向：S=fmi/fdi=0.415/0.4=1.41
横向：S=fmi/fdi=0.391/0.377=1.04
由上得出：检测的数据与理论数据之间没有差距，并且实际检测数据大于理论数据，根据相关原理可以界定索道桥的结构效果是良好的，尤其是在竖向和横向的动力值是符合要求的。
1.3.2 冲击系数计算 在桥面无障碍的情况下，采用一辆载重汽车分别以5km/h、10km/h、15km/h的速度匀速试过全桥，产生激振，测试该索道桥的动力特性和动力响应。不同速度载重车辆对桥梁产生冲击时的冲击系数如表2所示。
冲击系数实测值的分析结果：
根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）规定，当结构基频f≤1.5Hz时，冲击系数μ=0.05，该桥的实测冲击系数平均值：
1+μ=1.041 得：μ=0.041
从表2中的数据计算得出：该索道桥动载试验实测冲击系数平均值为0.041且该桥实测动力冲击系数均小于按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）计算的冲击系数μ=0.05，故该索道桥冲击系数在规范允许的范围内。
2 结语
本文利用有限元软件MIDAS/civil创设的计算模型得出的数据对比与试验数据的分析基本一致，由此可以验证此索道桥设计的合理性，并且此索道桥的设计数据以及计算结果过程等为以后的索道桥建设等方面提供了重要的数据参考。