某景區(qū)人行玻璃索橋荷載試驗(yàn)及安全評(píng)估

代建波，呂 剛，張仁猛，粟海濤，韓嘉昕

(1.西安石油大學(xué)， 陜西 西安 710065； 2.陜西中立檢測(cè)鑒定有限公司， 陜西 西安 710077)

懸索橋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，受力明確，景區(qū)采用人行玻璃索橋穿越峽谷，同時(shí)具有造型美觀，吸引游客的優(yōu)點(diǎn)[1-2]。我國(guó)目前還沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的規(guī)范對(duì)這類(lèi)橋梁的檢測(cè)、評(píng)估和驗(yàn)收做出明確的要求，使得這類(lèi)橋梁缺乏嚴(yán)格的監(jiān)管，可能存在著安全隱患[3-5]。因此，需要行之有效的檢測(cè)評(píng)估方法來(lái)確保此類(lèi)橋梁的安全運(yùn)行，以保障游客的生命財(cái)產(chǎn)安全。毛應(yīng)飛等[6]對(duì)人行索橋荷載試驗(yàn)驗(yàn)證進(jìn)行了探索與研究，采用人工加載沙袋的簡(jiǎn)易方式對(duì)已建成的人行索橋按照設(shè)計(jì)荷載進(jìn)行試驗(yàn)，利用全站儀對(duì)索橋跨中產(chǎn)生的垂度進(jìn)行測(cè)量，在加載到設(shè)計(jì)荷載后實(shí)測(cè)跨中最大相對(duì)垂度與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較，結(jié)果表明，橋梁承載能力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)安全可靠。黃學(xué)漾[7]以某景區(qū)人行索橋?yàn)楣こ瘫尘?，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察、有限元分析和靜載試驗(yàn)分析了人行索橋的使用性能。結(jié)果表明人行索橋的基本傳力路徑與傳統(tǒng)地錨式懸索橋傳力路徑完全不同，該橋抗扭剛度過(guò)低，在偏載作用下，結(jié)構(gòu)性能不能滿(mǎn)足正常使用要求。李萬(wàn)恒等[8]提出了三塔懸索橋荷載試驗(yàn)的要點(diǎn)需增加中塔扭轉(zhuǎn)工況和最大不平衡纜力工況作為主要工況；提出了三塔懸索橋結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)常值的范圍?；诿}動(dòng)試驗(yàn)，測(cè)試了泰州長(zhǎng)江大橋和馬鞍山長(zhǎng)江大橋的自振特性，并利用行車(chē)試驗(yàn)測(cè)試了兩座橋的沖擊系數(shù)。研究結(jié)果為三塔懸索橋荷載試驗(yàn)的實(shí)施提供了參考，同時(shí)為三塔懸索橋力學(xué)性能的研究提供了較好的數(shù)據(jù)支撐。何旭輝等[9]對(duì)張家界大峽谷玻璃人行橋進(jìn)行各工況作用下的模擬加載，并建立相應(yīng)的有限元模型計(jì)算，將試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，研究結(jié)果表明該橋具有足夠的剛度和安全儲(chǔ)備，為之后該類(lèi)橋梁的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)提供參考。

上述文獻(xiàn)主要依據(jù)試驗(yàn)的方法對(duì)索橋的性能進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)估，未系統(tǒng)按照檢查、試驗(yàn)、有限元分析和評(píng)估的方法對(duì)橋梁進(jìn)行安全評(píng)估，理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)合較少。本文基于現(xiàn)場(chǎng)檢查、檢測(cè)，采用有限元方法進(jìn)行分析，并與靜、動(dòng)力荷載試驗(yàn)相結(jié)合，對(duì)該橋梁結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，并對(duì)其安全性能進(jìn)行評(píng)估。

1 工程概況

某生態(tài)旅游區(qū)內(nèi)一座人行玻璃索橋，橋梁總長(zhǎng)329.5 m，總寬2.7 m，采用三跨布置方案，主跨286.5 m，兩邊跨均為21.5 m，主跨矢量高14.8 m。主纜共2根，每根均由3根鋼芯鋼絲繩組成。主纜鞍座采用簡(jiǎn)易式鞍座，底座尺寸為1.15 m×0.82 m，由高強(qiáng)螺栓錨固于塔頂橋面。主索為2根鋼絲繩，直徑均為42 mm，主梁采用縱橫梁格構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)體系，單根縱梁三跨一聯(lián)，縱梁與橫梁采用焊接連接。人行道板分為玻璃板和防腐木板兩種，縱向中間210 m范圍內(nèi)采用玻璃板橋面，全橋縱向每3 m設(shè)置一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)段。索橋平立面示意圖如圖1、圖2所示，現(xiàn)狀如圖3所示。

圖1索橋平面示意圖

圖2索橋立面示意圖

橋梁荷載試驗(yàn)前需對(duì)其結(jié)構(gòu)整體狀況進(jìn)行表觀檢查，并對(duì)照設(shè)計(jì)文件等資料對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行核查，重點(diǎn)檢查有無(wú)造成安全隱患的結(jié)構(gòu)質(zhì)量缺陷并進(jìn)行記錄，以便在荷載試驗(yàn)和安全評(píng)估時(shí)能夠合理的對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析[10]。

圖3索橋現(xiàn)狀圖

2 橋梁靜載試驗(yàn)

橋梁進(jìn)行靜載試驗(yàn)的主要目的是通過(guò)靜力荷載的施加，檢測(cè)其各控制截面的受力和變形情況，并確定其工作狀態(tài)是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求[11-12]。

2.1 試驗(yàn)荷載

該試驗(yàn)懸索橋?yàn)槿诵袠?，橋面寬度僅2 m，選用水箱進(jìn)行加載。加載值根據(jù)式(1)等效換算而得[12]：

0.95≤ηq=Sstate/S(1+μ)≤1.05

(1)

式中：ηq為靜力試驗(yàn)荷載效率；Sstate為某工況在試驗(yàn)荷載作用下的最大效應(yīng)值；S為某試驗(yàn)工況的最不利計(jì)算效應(yīng)值；μ為按規(guī)范取用的沖擊系數(shù)。

一般的靜載試驗(yàn)，ηq值可采用0.95～1.05。其取值根據(jù)橋梁的調(diào)查、檢查、驗(yàn)算資料是否齊全、完整來(lái)定[13]。

2.2 理論計(jì)算分析

(1) 橋梁為主跨長(zhǎng)286.5 m的雙塔單跨懸索橋，矢跨比為1∶19.2，采用MIDAS/Civil有限元分析軟件進(jìn)行模型的計(jì)算分析，如圖4所示。

圖4橋梁分析模型

(2) 根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙及現(xiàn)場(chǎng)檢查，模型中主梁采用鋼結(jié)構(gòu)，由橫梁和縱梁組成，分別由兩片Φ22槽鋼及Φ16槽鋼焊接而成。橋面板中間210 m采用3.6 cm厚的鋼化玻璃，兩側(cè)其余部分采用5 cm厚木方鋪就。主纜采用雙索面布置，索面橫向間距2.4 m，每根主纜由3股Ф70的鋼絲繩組成，鋼絲繩彈性模量為1.2×105MPa。吊桿縱橋向間距為2.4 m，吊桿均采用中Ф20 mm鋼絲繩。

(3) 設(shè)計(jì)荷載作用下，主要構(gòu)件主纜內(nèi)力計(jì)算結(jié)果顯示，恒載作用下主纜內(nèi)力為4 292.4 kN，活載作用下主纜內(nèi)力為3 597.6 kN。

2.3 荷載工況

對(duì)索橋的主跨進(jìn)行荷載試驗(yàn)以考察橋梁的力學(xué)性能，并評(píng)定其承載能力。橋梁設(shè)計(jì)人群荷載效應(yīng)為0.35 kN/m2(滿(mǎn)足承載200人要求)，本次試驗(yàn)擬加載的總重量按200 kN控制，大于200人總重，加載長(zhǎng)度為90 m。采用水箱加載，水箱長(zhǎng)度90 m，放水深度10 cm～12 cm。根據(jù)橋梁的特點(diǎn)，其控制內(nèi)力和變形如下：

工況1：跨中對(duì)稱(chēng)加載，該工況作用下，測(cè)試中跨跨中截面橋面最大撓度、主塔變位、主纜索力、吊桿索力。

工況2：3/8偏載加載，主要目的考察橋梁在偏載情況下1/4、3/8跨截面橋面最大撓度、主塔變位、主纜索力、吊桿索力。

2.4 測(cè)點(diǎn)設(shè)置

本次靜載試驗(yàn)的主要測(cè)試內(nèi)容及測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示，主要有：橋面撓度：F2～F6右側(cè)，縱梁上粘貼反光片；主塔縱向變位F1；吊桿應(yīng)力：D1/D2左右側(cè)；跨中主纜索力T。

圖5測(cè)點(diǎn)布置圖

橋面撓度變形、主塔變位傾斜等采用全站儀檢測(cè)。吊桿索力和主纜索力采用粘貼表面應(yīng)變片的方式采集，輔以頻率索力儀校核。

2.5 加載分級(jí)

參考相關(guān)規(guī)范要求，本次試驗(yàn)采用分級(jí)加載模式，具體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為：試驗(yàn)加載時(shí)，采用分級(jí)加載，分級(jí)測(cè)試的方法。90 m水箱縱向30 m一節(jié)，分為3節(jié)加載，每加滿(mǎn)一個(gè)水箱為1級(jí)加載，每一級(jí)為10 cm～12 cm水高。

2.6 試驗(yàn)結(jié)果

(1) 表觀觀測(cè)結(jié)果。在整個(gè)荷載試驗(yàn)過(guò)程中，橋梁由于結(jié)構(gòu)體系較柔，跨度較大，存在橋面向一側(cè)扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，表現(xiàn)在原吊桿與欄桿間距兩側(cè)較為對(duì)稱(chēng)，加載后一側(cè)間距變小，甚至靠死，另一側(cè)間距張開(kāi)加大5 cm～10 cm現(xiàn)象，相應(yīng)的一側(cè)水深6 cm～8 cm，另一側(cè)水深12 cm～14 cm。

(2) 撓度測(cè)試結(jié)果。各荷載工況下?lián)隙葴y(cè)試結(jié)果及主要測(cè)點(diǎn)撓度校驗(yàn)系數(shù)見(jiàn)表1和表2，表中符號(hào)規(guī)定“-”表示向下?lián)?，?”表示向上撓。

表中計(jì)算值系根據(jù)各荷載工況實(shí)際加載位置和荷載量進(jìn)行計(jì)算得到，撓度校驗(yàn)系數(shù)取各截面實(shí)際測(cè)試值均值與理論計(jì)算值比較得到。

撓度及相對(duì)殘余變形計(jì)算方法如式(2)所示：

(2)

式中：fp和ft分別為殘余變形和實(shí)測(cè)變形。

表1 工況1撓度測(cè)試結(jié)果及檢驗(yàn)系數(shù)

由表1可知：工況1跨中截面實(shí)測(cè)最大撓度為下?lián)?35.1 cm；主要測(cè)點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)位于0.50～0.84區(qū)間；最大豎向撓跨比L/816；測(cè)點(diǎn)撓度的相對(duì)殘余變形最大值為8.8%。

表2 工況2撓度測(cè)試結(jié)果及檢驗(yàn)系數(shù)

由表2可知：工況2跨中截面實(shí)測(cè)最大撓度為下?lián)?37.6 cm；主要測(cè)點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)位于0.50～0.72區(qū)間；最大豎向撓跨比L/762；測(cè)點(diǎn)撓度的相對(duì)殘余變形最大值為8.7%。

2.7 索力測(cè)試結(jié)果

各荷載工況下橋梁索力測(cè)試結(jié)果、索力校驗(yàn)系數(shù)及相對(duì)殘余見(jiàn)表3和表4，表中“-”表示索力減少，“+”表示索力增加。此處索力測(cè)試結(jié)果是綜合應(yīng)變和索頻率后的計(jì)算結(jié)果，吊桿和主纜彈性模量均取值為1.2×105MPa。

表3 工況1索力增量及校驗(yàn)系數(shù)

由表3可知：工況1吊桿索力增量最大測(cè)試值為9.5 kN，對(duì)應(yīng)應(yīng)力增加30.3 MPa。吊索索力校驗(yàn)系數(shù)位于0.70～0.89區(qū)間，左側(cè)索力比右側(cè)索力大。工況1吊索索力相對(duì)殘余最大值為6.7%。主纜索力增加2 565 kN，對(duì)應(yīng)應(yīng)力增加222.3 MPa。

表4 工況2索力增量及校驗(yàn)系數(shù)

由表4可知：工況2吊桿索力增量最大測(cè)試值為8.5 kN，對(duì)應(yīng)應(yīng)力增加27.1 MPa。吊索索力校驗(yàn)系數(shù)位于0.64～0.83區(qū)間。工況1吊索索力相對(duì)殘余最大值為7.1%。主纜索力增加2 532 kN，對(duì)應(yīng)應(yīng)力增加219.4 MPa。

3 橋梁動(dòng)載試驗(yàn)

3.1 橋梁動(dòng)載試驗(yàn)內(nèi)容

橋梁的動(dòng)力荷載試驗(yàn)的目的是研究橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性。這些測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)是判斷橋梁結(jié)構(gòu)承載能力的重要指標(biāo)。橋跨結(jié)構(gòu)某振型的振動(dòng)周期與結(jié)構(gòu)的剛度有著確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因而可以通過(guò)振動(dòng)頻率判斷橋梁結(jié)構(gòu)的剛度[14-15]。

3.2 自振特性理論分析

采用MIDAS/Civil有限元分析軟件對(duì)該橋梁建立模型進(jìn)行計(jì)算分析，并與脈動(dòng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較，對(duì)其動(dòng)力性能進(jìn)行分析和評(píng)估，經(jīng)計(jì)算分析得到的該橋梁結(jié)構(gòu)一階振型如圖6所示。

圖6結(jié)構(gòu)一階振型圖

3.3 橋梁自振特性測(cè)試

本次懸索橋自振特性測(cè)試采用脈動(dòng)法。主要對(duì)通過(guò)在橋上布置的傳感器，對(duì)該橋梁結(jié)構(gòu)在環(huán)境激勵(lì)下振動(dòng)時(shí)程進(jìn)行記錄和信號(hào)處理，并對(duì)其自振頻率、振型和阻尼比等動(dòng)力特性進(jìn)行分析。

(1) 時(shí)域波形及功率譜曲線(xiàn)。對(duì)該橋進(jìn)行脈動(dòng)試驗(yàn)，分別在該橋L/4布置豎向傳感器，全橋面共布置2個(gè)豎向傳感器。實(shí)測(cè)本橋時(shí)域波形如圖7所示。

圖7 1#傳感器時(shí)域波形

(2) 自振頻率測(cè)試結(jié)果。由于本橋較柔，在風(fēng)荷載作用下本橋即產(chǎn)生有感振動(dòng)，但振感并不強(qiáng)烈。脈動(dòng)測(cè)試及分析表明，本橋豎向一階振動(dòng)周期1.55 s，對(duì)應(yīng)基頻為0.645 Hz。根據(jù)有限元軟件分析得到的該橋梁結(jié)構(gòu)一階振型圖可知該橋基頻為0.523 Hz。實(shí)測(cè)基頻/理論基頻=1.23，滿(mǎn)足規(guī)范要求，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相符。

4 橋梁安全性能評(píng)估

通過(guò)橋梁的表觀檢查結(jié)果，靜、動(dòng)力荷載試驗(yàn)結(jié)果和有限元分析結(jié)果，可以對(duì)橋梁的承載能力和結(jié)構(gòu)安全性能做出合理評(píng)估。

4.1 表觀觀測(cè)結(jié)果分析

該橋梁表觀檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)病害。荷載試驗(yàn)過(guò)程中結(jié)構(gòu)未發(fā)生異響，結(jié)構(gòu)由于跨徑較大，結(jié)構(gòu)柔度較大，加載過(guò)程中，橋面向一側(cè)扭轉(zhuǎn)，該側(cè)撓度及吊索索力等均比另一側(cè)大，但未超過(guò)規(guī)范要求。因此，其整體穩(wěn)定性符合使用要求，但使用過(guò)程中應(yīng)盡量避免人群?jiǎn)蝹?cè)集中。

4.2 靜載試驗(yàn)結(jié)果分析

(1) 結(jié)構(gòu)剛度。所測(cè)試兩工況最大下?lián)?37.6 cm，最大豎向撓跨比L/762。各測(cè)試截面的撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.50～0.84，相對(duì)殘余變形最大值為8.8%。

(2) 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。所測(cè)試兩工況吊桿索力最大增加9.5 kN，對(duì)應(yīng)應(yīng)力增加30.3 MPa；主纜索力增加2 565 kN，對(duì)應(yīng)應(yīng)力增加222.3 MPa；吊索索力校驗(yàn)系數(shù)在0.64～0.89之間，卸載殘余在3.2%～7.1%；主纜索力校驗(yàn)系數(shù)0.75～0.86，卸載殘余4.0%～5.1%。

以上測(cè)試數(shù)據(jù)表明橋梁結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度滿(mǎn)足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。

4.3 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果分析

本橋?qū)崪y(cè)豎向基頻大于理論計(jì)算基頻0.523 Hz，這說(shuō)明該橋的實(shí)際動(dòng)力剛度大于規(guī)范值，該橋動(dòng)力性能較好。

4.4 安全性能評(píng)估

經(jīng)過(guò)對(duì)試驗(yàn)橋梁的靜動(dòng)力性能的系統(tǒng)測(cè)試，獲得了結(jié)構(gòu)整體受力性能的測(cè)試數(shù)據(jù)，經(jīng)對(duì)相關(guān)測(cè)試結(jié)果的分析可知，該人行玻璃索橋在設(shè)計(jì)荷載作用下其安全性能滿(mǎn)足使用要求，橋梁使用過(guò)程中應(yīng)盡量避免人群?jiǎn)蝹?cè)集中，并采取措施對(duì)橋面扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象進(jìn)行校正。

5 結(jié) 論

(1) 通過(guò)對(duì)該景區(qū)人行索橋的經(jīng)動(dòng)力性能系統(tǒng)測(cè)試可知其整體穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)剛度、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和動(dòng)力性能均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，工作性能正常。

(2) 通過(guò)工程案例較為系統(tǒng)的介紹了此類(lèi)人行玻璃索橋的荷載試驗(yàn)和安全評(píng)估過(guò)程，可為同類(lèi)工程問(wèn)題提供一定的借鑒作用。

(3) 景區(qū)人行索橋的荷載試驗(yàn)和安全評(píng)估工作是結(jié)橋梁安全使用的前提和依據(jù)，只有通過(guò)科學(xué)的試驗(yàn)和評(píng)估，確定橋梁的各項(xiàng)性能，才能消除運(yùn)行的安全隱患。