基于荷載試驗和承載能力檢算的某地錨式懸索橋工作性能分析

■陳 鵬

（福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所，福州 350004）

基于荷載試驗和承載能力檢算的某地錨式懸索橋工作性能分析

■陳 鵬

（福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所，福州 350004）

本文以某雙塔鋼結(jié)構(gòu)懸索橋為對象，先進行外觀檢查和無損檢測，然后采用有限元分析軟件建立理論模型，進行荷載試驗，將實測值與理論計算值進行對比，并結(jié)合相關(guān)規(guī)范對該橋進行承載能力檢算分析，以評價該橋工作性能是否符合要求，對其他同類橋梁的工作性能評價具有參考意義。

地錨式懸索橋 索力 有限元分析 荷載試驗 承載能力檢算 工作性能

1 概述

懸索橋是以通過索塔懸掛并錨固于兩岸（或橋兩端）的纜索作為上部結(jié)構(gòu)主要承重構(gòu)件的橋梁，其中纜索通過錨碇固定在兩岸地基中者為地錨式，纜索固定在懸索橋剛性梁端部者稱為自錨式。由于懸索橋可以充分利用材料的強度，并具有用料省、自重輕的特點，因此它在各種體系橋梁中的跨越能力最大，跨徑可以達到1km以上。主要缺點是剛度小，在荷載作用下容易產(chǎn)生較大的撓度和振動。本文的研究對象某雙塔鋼結(jié)構(gòu)人行懸索橋為地錨式，橋梁全長110.3m，跨徑設(shè)置為17.65m+75m+ 17.65m，橋面全寬3.44m，凈寬2.5m，主跨矢高8.82m，矢跨比1/8.5。每邊主索采用7φ42（7×19）高強度鍍鋅鋼絲繩，共14根，鋼絲抗拉強度δp=1600MPa；吊桿采用φ42光圓鋼筋；橋面系采用A3型鋼；抗風(fēng)索采用φ32.5（6× 37）有機物芯鋼絲繩；索墩、索塔采用C30鋼筋混凝土，錨碇臺采用C25混凝土，基礎(chǔ)和抗風(fēng)索錨碇臺采用C20混凝土。設(shè)計荷載：人群荷載3.5kN/m2，通行拖拉機。洪水設(shè)計為50年一遇。為了解橋跨結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀況，評價結(jié)構(gòu)在荷載作用下的工作性能，檢驗橋跨結(jié)構(gòu)是否滿足原設(shè)計荷載等級要求，我們對該橋進行了試驗檢測，以下重點介紹下其荷載試驗和承載能力檢算分析。圖1為人行懸索橋總體布置和測試截面示意圖。

2 靜載試驗

2.1 靜載試驗工況及檢驗對象

圖1 某雙塔鋼結(jié)構(gòu)人行懸索橋總體布置、構(gòu)件編號和測試截面示意圖（單位：m）

根據(jù)橋跨結(jié)構(gòu)受力特點，確定各跨試驗工況，具體見表1，主要測試截面見圖1。然后根據(jù)該橋施工設(shè)計圖紙和現(xiàn)場實測資料，應(yīng)用有限元計算軟件進行建模計算。其中主纜與主塔頂通過建立主從關(guān)系，固定在主塔頂上，成橋后不允許發(fā)生相對位移，主纜在兩端做固定處理；兩主塔基礎(chǔ)為嵌巖基礎(chǔ)，塔身底部按固結(jié)處理；抗風(fēng)索端部也按固結(jié)處理；然后通過非線性迭代計算分析對各單元添加初始內(nèi)力，使之形成有一定初始內(nèi)力和剛度，位移為零的成橋狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上再對該橋進行動力分析和各荷載工況的計算分析。橋梁模型見圖2。

以設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)活載產(chǎn)生的該試驗項目的最不利效應(yīng)值等效換算，確定所需的試驗荷載和加載方式，即采用在橋面上布置水袋的方式，注水進行等效加載。水袋橫截面規(guī)格為寬×高=2.5m×0.5m，水袋長度和注水高度則根據(jù)每個加載工況布置不同的長度，詳見表1。該橋的靜載試驗荷載效率η滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21-2011）的規(guī)定要求。

圖2 某空腹式雙曲拱橋模型圖

2.2 測點布置

（1）橋面撓度：在Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ截面上下游側(cè)欄桿位置布設(shè)塔尺，采用精密水準(zhǔn)儀測量，撓度測點布置見圖3。

表1 試驗測試內(nèi)容和加載方式（單位：m）

（2）索塔塔頂縱向位移：在1#索塔塔頂選擇固定測點，采用全站儀測量，位移測點布置見圖4。

（3）吊桿拉力：在7#和7’#吊桿表面粘貼加速度計，采用INV智能信號采集處理分析系統(tǒng)測試。

圖3 Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ截面撓度測點布置圖

圖4 1#索塔塔頂縱向位移測點布置圖

2.3 靜載試驗結(jié)果及分析

2.3.1 橋面撓度測試結(jié)果與分析

在工況1荷載作用下，第2跨Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ截面的實測撓度及其與理論計算值的比較如表2所示。可以看出，第2跨最大撓度絕對值之和的校驗系數(shù)為0.91，小于《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21-2011）規(guī)定的限值1.00，相對殘余變位最大值為13.5%，小于該規(guī)程的規(guī)定值20%。

2.3.2 索塔塔頂位移測試結(jié)果與分析

在工況2荷載作用下，1#索塔塔頂?shù)目v向位移實測值及其與理論值的比較如表3所示。可以看出，1#索塔塔頂?shù)膬蓚€測點最大縱向位移的校驗系數(shù)為 0.85和0.88，均小于 《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21-2011）規(guī)定的限值 1.00，相對殘余變位最大值為11.0%，小于該規(guī)程的規(guī)定值20%。

2.3.3 吊桿拉力測試結(jié)果與分析

在橋址附近無規(guī)則振源情況下，采用振動法，在7#和7’#吊桿表面粘貼加速度計，應(yīng)用INV智能信號采集處理分析系統(tǒng)，分別測定7#和7’#吊桿在恒載和工況3荷載作用下引起的振動響應(yīng)，將實測的加速度信號經(jīng)過頻譜分析，得到吊桿的前n階頻率。根據(jù)實測的前n階頻率，考慮吊桿邊界條件和抗彎剛度，計算得到拉力值。拉力計算公式如下：

表2 第2跨各控制截面撓度分析表（單位：cm）

表3 1#索塔塔頂縱向位移測試分析表（單位：mm）

吊桿一端鉸支一端固結(jié)：

其中，ξ=（F/EI）1/2×l，l=6.17m為吊桿長度，EI為吊桿的抗彎剛度，E=2.06e+8kN/m2，I=8.245e-8m4，F(xiàn)為吊桿拉力，m=7.989kg/m為吊桿單位長度的質(zhì)量，fn為吊桿的第n階頻率。該橋吊桿邊界條件可視為兩端鉸支。

在恒載作用和工況3荷載作用下，7#和7’#吊桿的基頻、拉力實測值及其與理論值的比較如表4所示。

從表4可以看出，在恒載和工況3荷載作用下，7#和7’#吊桿的拉力實測值與理論值均較為接近，兩者偏差最大為9.0%；恒載作用下兩根吊桿的安全系數(shù)均為27.4，工況3荷載作用下兩根吊桿的安全系數(shù)分別為7.1和6.9，表明該吊桿的安全儲備較為充裕。

3 自振特性試驗

在邊跨四等分截面和中跨八等分截面相對應(yīng)的橋面上，沿右側(cè)放置脈動測點傳感器。在橋面無任何交通荷載以及橋址附近無規(guī)則振源的情況下，測定橋跨結(jié)構(gòu)由于橋址處風(fēng)荷載、地脈動等隨機荷載激振而引起的橋跨結(jié)構(gòu)微小振動響應(yīng)，測試分析橋跨結(jié)構(gòu)自振頻率、振型和阻尼比等自振特性。

3.1 豎向自振特性結(jié)果分析

實測的信號經(jīng)FFT分析、模態(tài)分析，得到該橋?qū)崪y豎向1階自振頻率為0.622Hz，大于理論計算值0.607Hz，實測阻尼比為0.96%，實測振型與理論計算振型較為一致，如圖5所示。

3.2 橫向自振特性結(jié)果分析

實測的信號經(jīng)FFT分析、模態(tài)分析，得到該橋?qū)崪y橫向1階自振頻率為0.605Hz，大于理論計算值0.593Hz，阻尼比為1.56%，實測振型與理論計算振型較為一致，如圖6所示。

4 主索承載能力檢算

4.1 檢算目的

檢算該橋主索是否滿足設(shè)計荷載等級下的強度要求，檢算內(nèi)容為主索在承載能力極限狀態(tài)下的作用效應(yīng)組合和相應(yīng)的承載力等。

表4 7#和7’#吊桿拉力測試分析表（單位：kN）

圖5 豎向1階實測與理論振型比較

圖6 橫向1階實測與理論振型比較

4.2 檢算資料

（1）永久作用：為結(jié)構(gòu)重力，包括主索、吊桿、索夾、加勁梁和橋面系等；

（2）可變作用：包括該橋設(shè)計荷載和溫度作用，其中溫度作用為：溫升+25℃，溫降-10℃；

主索采用7φ42（7×19）高強度鍍鋅鋼絲繩，面積A= 7×π×（42/2）2=0.009698m2，鋼絲抗拉強度 δpk=1600MPa，δpD=容許應(yīng)力限值[σ]=1280MPa；利用有限元軟件建立的模型，考慮上述作用效應(yīng)進行分析計算。

4.3 檢算結(jié)果

承載能力檢算公式為：F/A≤Z1[σ]，其中F為考慮作用效應(yīng)組合的索力設(shè)計值，Z1為承載能力檢算系數(shù)。由荷載試驗結(jié)果可知，該橋主要測點校驗系數(shù)最大值為0.91，當(dāng)進行荷載試驗時，取試驗后的承載能力檢算系數(shù)Z2代替Z1進行檢算。根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21-2011）可得Z2=0.995。該橋主索的強度檢算結(jié)果見表6。

從表6可以看出，在承載能力極限狀態(tài)荷載基本組合作用下，該橋主索的拉應(yīng)力小于其容許應(yīng)力限值，安全系數(shù)K為16.8，表明該橋主索滿足設(shè)計荷載等級下的強度要求。

表6 主索強度檢算

5 結(jié)論

（1）第 2跨最大撓度絕對值之和的校驗系數(shù)為0.91，1#索塔塔頂兩個測點最大縱向位移的校驗系數(shù)為0.85和0.88，均小于《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21-2011）規(guī)定的限值1.00，相對殘余變位最大值為13.5%，小于該規(guī)程的規(guī)定值20%。

（2）7#和7’#吊桿的拉力實測值與理論值均較為接近，兩者偏差最大為9.0%；恒載作用下兩根吊桿的安全系數(shù)均為27.4，工況3荷載作用下兩根吊桿的安全系數(shù)分別為7.1和6.9，表明該吊桿的安全儲備較為充裕。

（3）該橋?qū)崪y豎向和橫向1階自振頻率為0.622Hz和0.605Hz，均大于其相應(yīng)理論計算值0.607Hz和0.593Hz；實測阻尼比為0.96%和1.56%，實測豎向和橫向振型與理論計算振型均較為一致。

（4）在承載能力極限狀態(tài)荷載基本組合作用下，該橋主索的拉應(yīng)力小于其容許應(yīng)力限值，安全系數(shù)K為16.8，表明該橋主索滿足設(shè)計荷載等級下的強度要求。

綜上所述，該橋跨結(jié)構(gòu)工作性能狀況良好，滿足原設(shè)計荷載等級要求。

[1]人行懸索橋參數(shù)分析與優(yōu)化設(shè)計[D].杭州：浙江大學(xué)，2010.

[2]彭大文.福州江心公園懸索橋的設(shè)計構(gòu)思[J].福州大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）,1996，24（4）：44～48.

[3]吳坤平.大跨度懸索橋動力特性計算及參數(shù)分析[D].長沙：長沙理工大學(xué)，2007.

[4]用MIDAS做懸索橋分析.

[5]JTG D60-2015,公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[S].

[6]JTG/T J21-2011,公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程[S].