懸索人行玻璃吊橋荷載試驗(yàn)與結(jié)構(gòu)性能評估

何增平

(福州市建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站 福建福州 350007)

0 引言

懸索橋是由主塔、主纜、吊索、橋面系等組成的結(jié)構(gòu)體系，由于其造價(jià)低，造型美觀，施工周期短，因此在景區(qū)人行橋中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。特別是隨著我國旅游行業(yè)的發(fā)展，懸索人行玻璃吊橋被廣泛運(yùn)用于景區(qū)之中，成為一道重要風(fēng)景線。但長期以來我國規(guī)范對該類橋梁卻沒有明確的要求[2]，施工尚無完整規(guī)范和成熟工藝，施工質(zhì)量把控不嚴(yán)格，對成橋后施工質(zhì)量的反饋和受力性能的分析較少，橋梁質(zhì)量存在極大的安全隱患[3-5]。因此準(zhǔn)確評估該類型橋梁的結(jié)構(gòu)性能、受力狀態(tài)就顯得十分必要。

本文以某景區(qū)懸索吊橋?yàn)楣こ瘫尘埃ㄟ^表觀檢查、有限元模擬分析，靜、動(dòng)載試驗(yàn)相結(jié)合的方式對橋梁的受力特性和結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行系統(tǒng)評估，并對后期運(yùn)營提出建議，可為同類型橋梁的設(shè)計(jì)、施工、檢測、管養(yǎng)工作提供借鑒。

1 工程背景

某玻璃吊橋工程結(jié)構(gòu)形式為高架索橋，設(shè)計(jì)主跨為133.0m，橋?qū)?.0m，橋面結(jié)構(gòu)組合為1.1m樟子松防腐木+124.8m 3層鋼化玻璃+1.1m樟子松防腐木。根據(jù)橋面與山谷的相對高程，吊橋主跨為133.0m，橋面實(shí)際長度127.0m，跨徑組合為：1.1m+124.8m+1.1m。該設(shè)計(jì)采用上主索受力，矢高分別為13m，主橋成橋后中跨垂跨比：1/10。橋面凈寬度2.0m，橫梁總寬度2.8m。兩側(cè)設(shè)置防護(hù)欄桿，防護(hù)欄桿材料為鍍鋅管+烤粉，欄桿采用工廠預(yù)制現(xiàn)場拼接方式。

設(shè)計(jì)荷載：1.0kN/m2。具體橋型布置圖如圖1所示。

圖1 橋型布置圖(單位：cm)

2 橋梁表觀狀況檢查

對橋梁的表觀狀況檢查，可以較全面地了解橋梁成橋后的結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)和結(jié)構(gòu)缺陷，可為靜動(dòng)載試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與檢測實(shí)施提供依據(jù)。表觀狀態(tài)的檢查內(nèi)容主要包括：

(1)橋梁線形測量，包括橋面標(biāo)高、主索標(biāo)高；

(2)主要橋梁構(gòu)件、部件的尺寸調(diào)查；

(3)橋梁索塔與錨碇臺(tái)、纜索系統(tǒng)、橋道系的表面缺損情況及變形情況檢查。

3 橋梁靜、動(dòng)載試驗(yàn)

3.1 有限元模型建立

人行索橋上部結(jié)構(gòu)采用懸索結(jié)構(gòu)，主索是主要承重構(gòu)件，索股的兩端通過繩卡錨固與錨碇預(yù)埋拉環(huán)的方式錨固于錨碇基礎(chǔ)之上。橋梁在成橋空載狀態(tài)下處于結(jié)構(gòu)自重平衡狀態(tài)，又稱為索橋的初始平衡狀態(tài)，主索的初裝垂度大小及橋面的自重嚴(yán)重影響著主索的內(nèi)力。因此，荷載試驗(yàn)前應(yīng)對主索線形進(jìn)行測量，測試出主索實(shí)際垂度，進(jìn)而對橋梁線形進(jìn)行精確模擬，計(jì)算出主索的初始內(nèi)力。

現(xiàn)根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙及現(xiàn)場檢查，全橋共設(shè)26根主纜，主纜橫向間距2.60m，主纜采用預(yù)制平行鋼絲索股法(PPWS)制作。主纜由13股通長索股組成，每根預(yù)制索股由相互平行的13根直徑21.5mm鍍鋅高強(qiáng)鋼絲組成，鋼絲標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1670MPa。利用Midas civil有限元軟件對懸索吊橋進(jìn)行模擬。將實(shí)測的主索垂度和相關(guān)參數(shù)導(dǎo)入有限元分析軟件，該橋梁模型包含375單元，216個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中主索和吊桿采用桁架單元模擬，主塔和梁采用梁單元模擬，有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

3.2 橋梁靜載試驗(yàn)

橋梁靜載試驗(yàn)主要目的，即通過靜力荷載的施加，通過撓度測試數(shù)值與計(jì)算數(shù)據(jù)的比較，判斷橋梁整體剛度，并確定其工作狀態(tài)是否滿足設(shè)計(jì)要求[6-7]。根據(jù)靜力荷載試驗(yàn)有關(guān)規(guī)定要求，確定荷載試驗(yàn)工況為跨中最大垂度，試驗(yàn)荷載為全橋1.0kN/m2均布荷載，采用124個(gè)200L水桶按均布方式加載。

本次試驗(yàn)采用全站儀進(jìn)行撓度測試，測點(diǎn)布置在橋跨八等分點(diǎn)附近東、西側(cè)主索夾處及對應(yīng)橋面處，橋梁累計(jì)布設(shè)21個(gè)豎向撓度測點(diǎn)。具體撓度測點(diǎn)及水桶加載布置如圖3～圖4所示。

圖3 撓度測點(diǎn)布置圖

圖4 1/2跨水桶加載平面布置圖(單位：m)

靜力荷載試驗(yàn)工況共分為3級(jí)加載，各級(jí)加載中東、西側(cè)主纜及橋面各豎向主要撓度測點(diǎn)的實(shí)測值及理論值如表1所示。由實(shí)測結(jié)果可知，在靜力荷載試驗(yàn)中，跨中截面實(shí)測最大撓度為下?lián)?26.9cm；主要測點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)位于0.51～0.84區(qū)間，符合規(guī)程(JTG/T J21-2011)規(guī)定的不大于1.00的限值要求。相對殘余變位最大為19.74%，低于規(guī)程(JTG/T J21-2011)規(guī)定的20.00%的限值要求。

在各級(jí)試驗(yàn)荷載作用下，主索及橋面各測試截面撓度變化理論值與實(shí)測值對比如圖5～圖10所示。

表1 主索及橋面主要測點(diǎn)撓度 mm

圖5 一級(jí)荷載理論與實(shí)測主纜撓度比較

圖6 二級(jí)荷載理論與實(shí)測主纜撓度比較

圖7 滿載荷載理論與實(shí)測主纜撓度比較

圖8 一級(jí)荷載理論與實(shí)測橋面撓度比較

圖9 二級(jí)荷載理論與實(shí)測橋面撓度比較

圖10 滿載荷載理論與實(shí)測橋面撓度比較

3.3 橋梁動(dòng)載試驗(yàn)

采用環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)法測定橋跨結(jié)構(gòu)，由于橋址處風(fēng)荷載、地脈動(dòng)等隨機(jī)荷載激振而引起的橋梁結(jié)構(gòu)微幅振動(dòng)響應(yīng)，所以可用來分析橋跨結(jié)構(gòu)的自振特性。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應(yīng)關(guān)系，因而可以通過振動(dòng)頻率判斷橋梁結(jié)構(gòu)的剛度。該橋基于建立的有限元模型，分別在橋面的八分點(diǎn)處布置了7個(gè)加速度傳感器，分別測量橋梁的豎、橫向自振頻率。由實(shí)測的加速度信號(hào)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析可知，該橋上部結(jié)構(gòu)實(shí)測豎、橫向自振頻率均大于理論計(jì)算值，對應(yīng)的實(shí)測頻率與理論頻率比值分別為1.04～1.08、1.01～1.03，實(shí)測振型與理論計(jì)算振型基本一致，表明結(jié)構(gòu)豎、橫向?qū)嶋H剛度與理論剛度基本吻合，但結(jié)構(gòu)豎向基頻為0.352Hz，遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的人行橋不小于3Hz的要求。

橋梁自振頻率(表2)，振型(表3)。

表2 自振頻率 Hz

表3 振型匯總

續(xù)表3

4 橋梁結(jié)構(gòu)性能評估與建議

4.1 外觀檢測結(jié)果

(1)經(jīng)現(xiàn)場勘察，索塔及錨碇表面未見明顯蜂窩、麻面、破損等外觀質(zhì)量缺損。

(2)主纜及吊索表觀未見明顯缺損，鋼絲繩除鍍鋅保護(hù)層，索鞍處主纜及吊索下端局部涂抹少量黃油，未見其它明顯防護(hù)；錨碇處主纜套筒與主纜交接處無防護(hù)措施，錨頭內(nèi)易積水；西北側(cè)索鞍錨板處存在積水現(xiàn)象。

(3)橋道系各部件工作狀況基本良好，橋面板以夾膠鋼化玻璃為主，未見開裂現(xiàn)象，橋面欄桿狀況良好。

4.2 靜載試驗(yàn)結(jié)果分析

在靜力荷載試驗(yàn)中，跨中截面實(shí)測最大撓度為下?lián)?26.9cm；主要測點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)位于0.51～0.84區(qū)間，相對殘余變位最大為19.74%。以上數(shù)據(jù)表明，該結(jié)構(gòu)剛度滿足規(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

該橋上部結(jié)構(gòu)實(shí)測豎、橫向自振頻率均大于理論計(jì)算值，實(shí)測振型與理論計(jì)算振型基本一致，表明該結(jié)構(gòu)豎、橫向?qū)嶋H剛度與理論剛度基本吻合，但結(jié)構(gòu)基頻遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的人行橋不小于3Hz的要求，在人行、風(fēng)荷載等外界動(dòng)荷載作用下容易產(chǎn)生較大振動(dòng)。

4.4 日常運(yùn)營建議

(1)應(yīng)加強(qiáng)橋梁行人通行管理，行人宜沿橋面中線緩慢通行，嚴(yán)禁行人聚集在橋面單側(cè)，嚴(yán)禁大量行人同步行走。在大風(fēng)、雨天、冰雪等惡劣天氣條件下，橋梁應(yīng)禁止通行。

(2)索鞍處宜增設(shè)防護(hù)罩，防止雨水浸蝕和灰塵沉積，定期更換黃油，加強(qiáng)保養(yǎng)和巡查。

(3)錨碇臺(tái)套筒與主纜連接處應(yīng)密封防水處理，套筒內(nèi)及錨頭應(yīng)保持干燥，不得潮濕和積水，錨頭宜增設(shè)防護(hù)罩并定期更換黃油，加強(qiáng)保養(yǎng)。

(4)吊索應(yīng)進(jìn)行定期檢查，對晃動(dòng)明顯的吊索應(yīng)及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

(5)應(yīng)在索塔、錨碇臺(tái)基礎(chǔ)及橋梁跨中部位設(shè)置永久性位移觀測點(diǎn)。

(6)該橋梁結(jié)構(gòu)體系受力復(fù)雜，構(gòu)件及連接結(jié)點(diǎn)眾多，在橋梁運(yùn)營期間，使用單位應(yīng)建立嚴(yán)格的日常巡查制度和應(yīng)急機(jī)制，加強(qiáng)橋梁各構(gòu)件的日常巡查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并采取應(yīng)對措施，確保橋梁運(yùn)營安全可靠。