對(duì)基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的懸索橋加固技術(shù)及其應(yīng)用分析

于英杰 陳虹尹

1.西華大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院 四川 成都 610039；

2.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400074

引言

近年來，我國(guó)交通運(yùn)輸領(lǐng)域基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)事業(yè)處于蓬勃發(fā)展階段，截至2021年11月中標(biāo)“公路橋”項(xiàng)目數(shù)量達(dá)到1263個(gè)，同比上年提高75%。然而在橋梁建設(shè)數(shù)量逐漸增多的同時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)安全日漸成為行業(yè)及社會(huì)領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)問題，基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)狀況分析、及時(shí)查明安全隱患，輔助完成橋梁結(jié)構(gòu)加固與改造方案的編制，對(duì)于橋梁安全運(yùn)營(yíng)與交通基建事業(yè)發(fā)展具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 懸索橋加固體系模型建立

1.1 項(xiàng)目概況

以某懸索橋改造加固項(xiàng)目為例，該橋設(shè)計(jì)跨度為120m，矢高為12m，矢跨比為1/10，采用雙向4車道形式設(shè)計(jì)。橋上布設(shè)2根主纜，主纜跨徑布置為32.5m+120m+20.5m形式，單根主纜由4股符合GB 8918-2006《重要用途鋼絲繩》標(biāo)準(zhǔn)的鋼絲繩組成；主梁為鋼桁梁，與門型鋼筋混凝土主塔組成空間鋼桁架結(jié)構(gòu)；橋面板為鋼筋混凝土槽形板；錨碇選用重力錨、隧道錨兩種形式。為解決原懸索橋主纜下?lián)?、承載能力不足的問題，該項(xiàng)目經(jīng)由多種設(shè)計(jì)方案比較后，最終確定選用一種斜拉索加固方案，取1根斜拉索將其一端錨固在地面，另一端經(jīng)由塔頂轉(zhuǎn)向裝置與加勁梁底進(jìn)行錨固，使該斜拉索可在轉(zhuǎn)向裝置內(nèi)部沿垂直方向滑動(dòng)，并照此錨固形式共設(shè)置4根斜拉索形成組合加固體系，以兩兩組合形式在加勁梁處形成對(duì)拉結(jié)構(gòu)。

1.2 有限元模型

現(xiàn)有關(guān)于懸索橋加固、橋梁安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的研究成果已初具規(guī)模，其中對(duì)于橋梁吊拉組合體系加固技術(shù)的研究可追溯至1854年，橋梁建造工程師羅勃林因一座懸索橋受風(fēng)害影響而垮塌這一事件，創(chuàng)新提出一種加勁桁架+斜拉索的組合結(jié)構(gòu)體系，用于彌補(bǔ)懸索橋結(jié)構(gòu)抗彎強(qiáng)度差的缺陷[1]。在此基礎(chǔ)上，國(guó)外先后有多座橋梁結(jié)構(gòu)均使用上述吊拉組合結(jié)構(gòu)，運(yùn)用上述吊拉體系提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗振性能，并結(jié)合實(shí)際測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)由斜拉索承擔(dān)恒載的情況下，橋梁主纜曲率小于跨中部位，由此證實(shí)斜拉索結(jié)構(gòu)在加固橋梁中發(fā)揮的重要作用[2]。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)在借鑒上述橋梁加固方案的基礎(chǔ)上，已先后于南盤江大橋等工程項(xiàng)目中做出成功嘗試，根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果獲取斜拉索的張力數(shù)值，但考慮到在橋梁結(jié)構(gòu)施工及后續(xù)投入運(yùn)營(yíng)后可能受溫度、技術(shù)水平及主纜下?lián)系炔『τ绊懀瑢?dǎo)致實(shí)際結(jié)果與理論計(jì)算存在一定出入，加之不同橋梁結(jié)構(gòu)的受力特征相對(duì)復(fù)雜，如何有效獲取懸索橋的真實(shí)受力狀態(tài)，并檢驗(yàn)斜拉索加固體系實(shí)際張拉力的加固效果，成為當(dāng)前亟待解決的問題[3]。

根據(jù)上述研究背景與實(shí)際監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)存在的問題，在該項(xiàng)目中整合懸索橋現(xiàn)有結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用Midas軟件有限元分析軟件建立懸索橋計(jì)算模型，選用拉桿單元模擬主纜、吊索，選用梁?jiǎn)卧謩e模擬主塔、加勁梁、橋面板縱梁以及橫梁，并利用板單元模擬橋面板，將整座橋梁共劃分為22684個(gè)單元、15352個(gè)節(jié)點(diǎn)。在邊界條件設(shè)計(jì)上，針對(duì)主纜錨固部位、塔底部均采用固結(jié)方式，對(duì)散索鞍處設(shè)置斜撐，塔頂加勁梁為單跨簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)、沿橋向設(shè)有水平約束。

1.3 斜拉索張力計(jì)算分析

依據(jù)懸索橋結(jié)構(gòu)特征，采用懸鏈線法進(jìn)行斜拉索張力計(jì)算[4]。以處于張拉狀態(tài)下的斜拉索為例，將其沿水平、垂直方向長(zhǎng)度分別記為l和c，H為斜拉索沿水平方向上形成的分力，單根索重量為q，將水平張力與線密度的比值設(shè)為常數(shù)α，水平、垂直兩個(gè)方向上的長(zhǎng)度與水平方向上兩個(gè)分力的比值設(shè)為常數(shù)β，則根據(jù)積分方程可分別計(jì)算出懸鏈線的長(zhǎng)度S、彈性伸長(zhǎng)量△S以及無應(yīng)力索長(zhǎng)S0，其計(jì)算公式分別為：

在斜拉索索力計(jì)算上，將斜拉索視為X1、X2兩根索組合形式，將X1索一端、X2索一端分別設(shè)為點(diǎn)A和點(diǎn)C，兩索連接交點(diǎn)設(shè)為點(diǎn)B，其中X1沿水平方向長(zhǎng)度為l1、垂直方向長(zhǎng)度為c1、水平方向上分力為H1，X2沿水平方向長(zhǎng)度為l2、垂直方向長(zhǎng)度為c2、水平方向上分力為H2，且已知H1=H2，無應(yīng)力索長(zhǎng)為兩根斜拉索相加之和，將線膨脹系數(shù)設(shè)為a、溫度設(shè)為t，則在環(huán)境溫度影響下斜拉索的無應(yīng)力索長(zhǎng)相關(guān)性計(jì)算公式為：

通過整合上述計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)在懸索橋上完成斜拉索的張拉處理后，根據(jù)現(xiàn)有索力計(jì)算結(jié)果與兩根索上3個(gè)點(diǎn)位坐標(biāo)值、無應(yīng)力索長(zhǎng)，即可計(jì)算出環(huán)境溫度、兩索連接部位豎向位移兩因素變動(dòng)后斜拉索索力的變化量，運(yùn)用迭代法完成數(shù)值求解。

2 加固體系荷載工況及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果檢驗(yàn)

2.1 現(xiàn)場(chǎng)位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

采用荷載試驗(yàn)對(duì)原懸索橋的承載能力進(jìn)行測(cè)試，綜合考慮環(huán)境溫度、斜拉索錨固部位的位移量以及橋塔位移三項(xiàng)指標(biāo)建立荷載工況，利用大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取具體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[5]。其中位移量的影響因素包含以下3種：

2.1.1 主纜溫度位移，在橋塔底部設(shè)置溫度傳感器、確定初始狀態(tài)下的溫度標(biāo)準(zhǔn)值，已知橋體上設(shè)置剛性吊桿，吊桿沿垂直方向的變形量可忽略不計(jì)，因此選擇加勁梁頂面標(biāo)高作為監(jiān)測(cè)面，分別測(cè)量不同環(huán)境溫度下的頂面標(biāo)高數(shù)值。從中可以觀察到，伴隨環(huán)境溫度變化，相鄰吊點(diǎn)處主纜承受的相對(duì)豎向位移呈現(xiàn)出不均勻變化趨勢(shì)，其影響原因在于溫度場(chǎng)出現(xiàn)復(fù)雜變化、影響橋梁內(nèi)力，且設(shè)置在不同方向主纜的相對(duì)豎向位移仍存在一定差別，其原因在于兩側(cè)主纜矢高存在一定差值，由此影響到主纜的內(nèi)力分配結(jié)果。

2.1.2 主纜荷載位移，在車輛通行過程中將對(duì)橋面板施加不同荷載，在車輛經(jīng)過測(cè)點(diǎn)時(shí)因加載、卸載的頻繁變化增加局部變形量，分別模擬兩種不同工況下各取一測(cè)點(diǎn)進(jìn)行主纜相對(duì)豎向位移、主梁撓度數(shù)據(jù)的分析，從中可以觀察到，伴隨橋面板上經(jīng)過車輛重量、數(shù)量的遞增，主纜相對(duì)豎向位移呈現(xiàn)出由不均勻轉(zhuǎn)為均勻的特征，其主要影響因素為橋體內(nèi)力分布特征，且主纜上、下游側(cè)的相對(duì)豎向位移均呈反向變化；在荷載工況下，主梁最大豎向位移監(jiān)測(cè)結(jié)果為-1.4893，與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果-1.4680之間的相對(duì)誤差為1.45%，且該位移量小于規(guī)范限值，因此可忽略將其不計(jì)。

2.1.3 橋塔位移，由橋塔頂部的索鞍采用固結(jié)形式施工，當(dāng)跨中荷載變化時(shí)將使主纜產(chǎn)生一個(gè)不平衡水平力，使橋塔沿豎向發(fā)生位移，在此過程中主纜將對(duì)塔頂傳遞一個(gè)豎向力，使橋塔底部出現(xiàn)附加彎矩，加之在車輛施加荷載的影響下，將沿下游方向使橋塔上、下游分別產(chǎn)生0.9～1.8cm范圍內(nèi)的位移量，但由于該位移量相對(duì)數(shù)值較小，可將其對(duì)于斜拉索索力變化的影響忽略不計(jì)。

2.2 加固體系荷載工況分析

綜合上述位移實(shí)測(cè)結(jié)果，以斜拉索、加勁梁的錨固部位為基準(zhǔn)，分別計(jì)算出不同工況條件下錨固部位的豎向位移量。其中在升溫15℃工況下，兩側(cè)錨固部位上游位移量分別為-16.8mm和-38.1mm、下游位移量為-39.7mm和-53.4mm；在降溫25℃工況下，兩側(cè)錨固部位上游位移量分別為18.5mm和21.4mm、下游位移量為24.5mm和25.6mm；在車輛對(duì)橋面板施加荷載量增大的工況下，兩側(cè)錨固部位上游位移量分別為-256.7mm和-287.6mm、下游位移量為-255.7mm和-292.4mm；在升溫15℃、車輛荷載工況下，兩側(cè)錨固部位上游位移量分別為-265.4mm和-324.5mm、下游位移量為-298.4mm和-350.1mm；在降溫25℃、車輛荷載工況下，兩側(cè)錨固部位上游位移量分別為-228.9mm和-264.7mm、下游位移量為-230.4m和-321.6mm。

根據(jù)錨固部位的豎向位移測(cè)試結(jié)果可知，在升溫、降溫位移數(shù)值均相對(duì)于15℃，車輛荷載位移均相對(duì)于0時(shí)，錨固部位上游位移為正、下游位移為負(fù)。結(jié)合實(shí)際橋梁投入使用中的工況條件，還需在測(cè)試分析中預(yù)留一定的安全儲(chǔ)備值，保證為斜拉索與主纜受力體系、斜拉索與加勁梁受力關(guān)系變化情況下的豎向位移分析提供參考價(jià)值。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)斜拉索對(duì)于加勁量形成內(nèi)力的預(yù)測(cè)分析結(jié)果可知，在車輛施加荷載作用下，對(duì)于斜拉索產(chǎn)生的豎向支撐力最小為112.1kN，相對(duì)于車輛荷載占比約為78%。結(jié)合上文中建立的懸索橋仿真模型，模擬最不利工況條件下斜拉索對(duì)于加勁梁施加內(nèi)力的影響情況可知，當(dāng)斜拉索卸載車輛荷載達(dá)到70%時(shí)，能夠使懸索橋主纜的安全系數(shù)同比提升0.6，并且由此形成的不平衡水平力并不會(huì)影響到加勁梁，最終得出斜拉索的張拉力設(shè)計(jì)值為60kN。

2.3 加固后的測(cè)量結(jié)果檢驗(yàn)

考慮到上述仿真分析結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間具有較高的相似度，能夠?yàn)樾崩骷庸腆w系的張拉溫度、索力大小計(jì)算提供數(shù)值參考，并且在獲取懸索橋加固后的實(shí)際測(cè)量結(jié)果與仿真分析結(jié)果進(jìn)行比較，伴隨環(huán)境溫度的升高，斜拉索對(duì)加勁梁錨固部位提供的豎向力呈現(xiàn)出逐漸減小趨勢(shì)，同時(shí)上下游對(duì)于斜拉索產(chǎn)生的不平衡水平力也呈現(xiàn)出同步減小趨勢(shì)，符合仿真分析結(jié)果，證明選用斜拉索加固體系的溫度敏感性較低；當(dāng)環(huán)境溫度為25℃時(shí)，斜拉索對(duì)加勁梁提供的豎向力約為100kN，達(dá)到車輛施加荷載作用下的70%，證明在此工況下懸索橋主纜的安全儲(chǔ)備較大，能夠有效抵抗不利因素對(duì)整橋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。

待將上述斜拉索體系應(yīng)用于懸索橋加固工程中后，引入GPS系統(tǒng)在懸索橋主纜、橋塔、加勁梁等部位分別布設(shè)測(cè)站與具體測(cè)量點(diǎn)位，依據(jù)20Hz的采樣頻率進(jìn)行各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，并沿垂直方向?qū)?shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量精度控制在±20mm+1ppm RMS，即將測(cè)量基礎(chǔ)誤差設(shè)為20mm，當(dāng)測(cè)點(diǎn)與GPS基站的間距每增加1km，則測(cè)量精度將下降1mm，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與實(shí)時(shí)預(yù)警功能。分五階進(jìn)行頻率識(shí)別結(jié)果的比較，從中可以看出，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的頻率識(shí)別結(jié)果與荷載試驗(yàn)結(jié)果一致性較強(qiáng)，說明監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置合理，且懸索橋動(dòng)力特征較好。

3 結(jié)束語

通過結(jié)合某懸索橋加固項(xiàng)目的實(shí)際施工要求，建立一種基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的懸索橋斜拉索加固體系，根據(jù)斜拉索張拉力計(jì)算公式與溫度、荷載作用下對(duì)于斜拉索張拉力和斜拉索索力的影響情況，將其與實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，證明該斜拉索加固體系設(shè)計(jì)方案的技術(shù)可靠性，能夠有效實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工況下懸索橋的結(jié)構(gòu)加固與安全穩(wěn)定運(yùn)行需求，對(duì)于同類橋梁加固及改造施工具備良好示范經(jīng)驗(yàn)。