景區(qū)人行索橋檢測(cè)方法研究

黃學(xué)漾（1.福建省建筑科學(xué)研究院;2.福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，福州364000）

景區(qū)人行索橋檢測(cè)方法研究

黃學(xué)漾1，2
（1.福建省建筑科學(xué)研究院;2.福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，福州364000）

本文以某景區(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。研究結(jié)果表明：該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。在不考慮人群振動(dòng)舒適度和結(jié)構(gòu)振動(dòng)穩(wěn)定情況下，按靜力驗(yàn)算，當(dāng)人群荷載達(dá)到0.380kN/m2時(shí)，橋面拉索達(dá)到承載能力極限狀態(tài)。該橋抗扭剛度過(guò)低，在偏載作用下，橋梁無(wú)法正常使用，其結(jié)構(gòu)性能不能滿足正常使用要求。本文采用現(xiàn)場(chǎng)勘查和有限元計(jì)算及靜載試驗(yàn)的方法對(duì)處理同類工程問(wèn)題具有借鑒作用。

人行索橋有限元分析靜載試驗(yàn)結(jié)構(gòu)性能

1 引言

用纜索結(jié)構(gòu)作為主要承重結(jié)構(gòu)的人行索橋，由于其造價(jià)低，造型美觀，施工周期短，在景區(qū)人行橋中得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。該類橋梁多用于穿越障礙、峽谷等，同時(shí)也會(huì)成為景區(qū)的主要景觀。然而由于我國(guó)規(guī)范對(duì)這類橋梁并沒(méi)有明確的要求[4]，多數(shù)橋梁在設(shè)計(jì)和施工方面都較為隨意，缺乏嚴(yán)格的監(jiān)管，存在著較多安全隱患。因此為確保橋梁的安全運(yùn)營(yíng)及游客的人生財(cái)產(chǎn)安全，對(duì)橋梁的安全性能進(jìn)行檢測(cè)就成為了當(dāng)務(wù)之急。本文以某景區(qū)人行索橋作為工程背景，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，承載能力計(jì)算及靜載試驗(yàn)等方法對(duì)該橋的安全使用性能進(jìn)行評(píng)定，可為其他同類纜索體系橋梁提供參考。

2 工程背景

某景區(qū)人行索橋，以纜索為主要受力構(gòu)件，跨度218m，缺乏必要的設(shè)計(jì)資料及施工監(jiān)管記錄。其纜索體系包括跨橋塔的兩條主纜，106對(duì)吊索以及六根橋面拉索，六根橋面拉索與兩側(cè)基礎(chǔ)連接，纜索體系結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。其中橋面拉索及主纜均為Φ46×37+FC鋼絲繩，吊索為Φ6×19+FC鋼絲繩。該橋橋面板有防腐木橋面板及鋼化玻璃橋面板兩種，通過(guò)鋼橫梁和小縱梁與拉索連接，主纜和橋面橫梁通過(guò)吊桿連接，橋面板構(gòu)造簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖1 纜索體系結(jié)構(gòu)布置圖

圖2 橋面板構(gòu)造簡(jiǎn)圖

3 橋梁布置現(xiàn)場(chǎng)勘察

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查可知，基礎(chǔ)與主纜及橋面拉索通過(guò)預(yù)埋件連接，由于該橋基礎(chǔ)無(wú)地質(zhì)勘查資料，在施工過(guò)程中，無(wú)質(zhì)量監(jiān)督和施工記錄，通過(guò)現(xiàn)有的無(wú)損檢測(cè)手段難以準(zhǔn)確確定基礎(chǔ)的土方量，也無(wú)法核查內(nèi)部鋼筋布設(shè)，錨桿規(guī)格布置、埋深、構(gòu)造等隱蔽工程的施工質(zhì)量情況。采用回彈法進(jìn)行索塔及基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明，部分構(gòu)件混凝土強(qiáng)度低于C25，不滿足施工質(zhì)量要求。

通過(guò)對(duì)纜索系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)勘查可知，該橋的主纜結(jié)構(gòu)形式與典型地錨式懸索橋相似，主纜有兩根，主纜纏繞于基礎(chǔ)預(yù)埋件的橫桿，通過(guò)10個(gè)繩卡固定，主纜與索塔通過(guò)索鞍連接，索鞍與主塔通過(guò)主塔預(yù)埋的鋼筋焊接。主纜與吊索采用索夾連接。通過(guò)全站儀測(cè)量主纜部分測(cè)點(diǎn)的高程，以了解主纜的線形，測(cè)量可知，兩側(cè)主纜線形基本一致。主纜垂跨比為1/25，主纜中心距與主跨跨徑比值為1/87。通過(guò)對(duì)吊索的現(xiàn)場(chǎng)勘查可知，在行人較少的情況下，大部分吊索均處于松弛狀態(tài)，說(shuō)明主纜未分擔(dān)橋面板的恒載和活載，該橋整體結(jié)構(gòu)的傳力路徑與典型地錨式懸索橋的傳力路徑完全不同。該橋橋面拉索共有六根，位于橋面鋼橫梁下部，通過(guò)扣件與橫梁相連橋面拉索與基礎(chǔ)預(yù)埋件連接，通過(guò)10個(gè)繩卡固定，橋面拉索垂跨比為1/30，橋面拉索如圖3～4所示。由于吊索處于松弛狀態(tài)，可以認(rèn)為在橋面行人較少的情況下，六根橋面拉索單獨(dú)承擔(dān)橋面?zhèn)鱽?lái)的恒載荷活載，該橋可以看作是一個(gè)由橋面拉索獨(dú)立受力的索橋，其實(shí)際傳力路徑如圖5所示。

通過(guò)對(duì)該橋纜索系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)勘查可知，該橋的主纜與橋面拉索鋼絲繩均裸露在外，在主纜及橋面拉索鋼絲繩與基礎(chǔ)連接的端部?jī)H涂防銹油脂，沒(méi)有采用規(guī)范的防護(hù)措施.

橋面護(hù)欄由欄桿立柱和欄桿拉索組成，如圖6所示。立柱與橋面橫梁直接焊接，拉索共有10根，從立柱中穿過(guò)，由于拉索結(jié)構(gòu)過(guò)柔，可以產(chǎn)生較大變形，拉索間距可達(dá)20cm以上，因此該橋橋面護(hù)欄結(jié)構(gòu)存在較大安全隱患。

圖3 橋面拉索構(gòu)造示意圖

圖4 橋面拉索實(shí)景圖

圖5 工程背景人行橋?qū)嶋H傳力路徑

圖6 欄桿構(gòu)造圖

4 橋面拉索鋼絲繩承載能力驗(yàn)算

經(jīng)檢查，吊索目前均處于松弛狀態(tài)。故認(rèn)為，現(xiàn)狀人行橋的主要受力構(gòu)件為橋面的六根縱向拉索，而懸索主纜鋼絲繩基本不參與受力，因此，對(duì)橋面拉索的承載能力進(jìn)行驗(yàn)算。

4.1 計(jì)算假定及計(jì)算依據(jù)

《公路懸索橋設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]只對(duì)主纜采用鍍鋅高強(qiáng)鋼絲材料的結(jié)構(gòu)計(jì)算方法進(jìn)行了規(guī)定，未明確主纜采用鋼絲繩的計(jì)算方法，因此本文在進(jìn)行橋面拉索承載能力驗(yàn)算的時(shí)候套用《公路懸索橋設(shè)計(jì)規(guī)范》中騎跨式鋼絲繩吊索的計(jì)算方法，如式（1）所示：

式中，Nd——軸向拉力設(shè)計(jì)值；

fk′——鋼絲繩最小破斷力；

f′dd——鋼絲繩最小破斷拉力設(shè)計(jì)值；

γR——吊索材料強(qiáng)度分項(xiàng)系數(shù)，騎跨式吊索取2.95。

其中：

式中，γ0——結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，取1.1；

γG——永久作用分項(xiàng)系數(shù)，取1.2；

NG——自重及附加重力作用下鋼絲繩拉力標(biāo)準(zhǔn)值；γQ——可變荷載分項(xiàng)系數(shù)，取1.4；

NQ——人群荷載作用下鋼絲繩拉力標(biāo)準(zhǔn)值。

在計(jì)算時(shí)采用如下假定

（1）主纜及吊桿不參與工作，橋面的橫梁、小縱梁、欄桿、鋼化玻璃、防腐木的自重完全由橋面六根縱向拉索承擔(dān)。

（2）恒載及人群荷載作用下，六根縱向拉索線形完全相同，即受力狀況完全相同，不考慮橫向分布。

4.2 計(jì)算模型

通過(guò)MIDAS-CIVIL軟件建立拉索結(jié)構(gòu)模型，不考慮懸索受力，拉索下吊桿用于施加橫梁傳遞的內(nèi)力，拉索兩端固定約束，所建立的模型如圖7所示。

在計(jì)算中首先通過(guò)拉索自重和附屬自重以及主纜線形計(jì)算出自重及附屬自重作用下主纜成橋狀況的內(nèi)力，進(jìn)而在這個(gè)成橋狀態(tài)下施加人群荷載，計(jì)算活載作用下拉索的內(nèi)力。

圖7 主纜有限元模型

4.3 計(jì)算結(jié)果

通過(guò)計(jì)算可知，自重及附屬自重作用下，單根拉索的內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)值為248.9kN。當(dāng)橋面人群荷載達(dá)到0.380N/m2時(shí)，可變荷載作用下的內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)值為73.38kN。

即不考慮人群振動(dòng)舒適度和結(jié)構(gòu)振動(dòng)穩(wěn)定情況下，按靜力驗(yàn)算，當(dāng)人群荷載達(dá)到0.380kN/m2時(shí)，橋面拉索達(dá)到承載能力極限狀態(tài)。

5 靜載試驗(yàn)

橋梁靜力荷載試驗(yàn)，主要是通過(guò)測(cè)量橋梁結(jié)構(gòu)在靜力試驗(yàn)荷載作用下的變形，用以確定橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)與正常使用要求是否相符。它是檢驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)受力特征的最直接和最有效的手段和方法。

5.1 試驗(yàn)工況

為了反映工程背景人行索橋的試驗(yàn)性能，根據(jù)上文的橋面拉索承載能力計(jì)算結(jié)果，在靜載試驗(yàn)中共進(jìn)行四個(gè)荷載工況，如表1所示。工況一考察的是橋梁在橋面拉索達(dá)到承載能力極限狀態(tài)的豎向均布荷載作用下的結(jié)構(gòu)性能是否滿足使用要求，工況二至工況四考察的是在100人的等效荷載作用下，橋梁的使用性能，其中包括對(duì)稱加載和偏載的工況。

表1 試驗(yàn)工況

5.2 測(cè)試結(jié)果

（1）工況一測(cè)試結(jié)果

圖8為測(cè)試截面的位移測(cè)點(diǎn)布置圖，圖9和圖10分別為1號(hào)測(cè)點(diǎn)側(cè)與2號(hào)測(cè)點(diǎn)橋面線形隨著荷載增加的變化值。圖11為橋面跨中測(cè)點(diǎn)撓度的荷載-變形曲線。

如圖9至圖10所示，在各級(jí)荷載作用下，橋面線形各測(cè)點(diǎn)撓度分布呈現(xiàn)跨中大，越靠近支承點(diǎn)撓度越小的特點(diǎn)，符合結(jié)構(gòu)的受力特性。當(dāng)試驗(yàn)荷載達(dá)到滿載加載量時(shí)，橋面跨中兩側(cè)撓度分別達(dá)到62.94cm和58.75cm，此時(shí)橋面跨中的傾斜度為1.63°。卸載之后，跨中測(cè)點(diǎn)的相對(duì)殘余變形分別為5.89%和3.71%。

如圖11所示，當(dāng)施加荷載為一級(jí)到四級(jí)之間時(shí)，跨中測(cè)點(diǎn)撓度的荷載-變形曲線基本呈線性關(guān)系。當(dāng)荷載達(dá)到滿載時(shí)，荷載-變形曲線斜率變小，變形增長(zhǎng)速度減慢，其原因?yàn)闃蛎胬鞯呢Q向撓度達(dá)到一定限值后，吊桿繃緊，索橋的主纜開(kāi)始參與受力，分擔(dān)了一定的豎向荷載。

工況一檢測(cè)結(jié)果表明，施加的荷載和跨中撓度基本呈線性關(guān)系，當(dāng)撓度達(dá)到50cm以上后，結(jié)構(gòu)的主纜開(kāi)始分擔(dān)一部分荷載，滿載作用下，跨中撓度變形量較大，達(dá)到1/340，橋面傾斜度為1.63度。殘余變形較小，構(gòu)件仍然處于彈性工作狀態(tài)。

（2）工況二、工況三及工況四測(cè)試結(jié)果

圖12為工況二滿載作用下?lián)隙葴y(cè)點(diǎn)側(cè)線形。如圖所示，工況二滿載時(shí)，橋面線形各測(cè)點(diǎn)撓度分布呈現(xiàn)跨中大，越靠近支承點(diǎn)撓度越小，且在離支承端最近處的測(cè)點(diǎn)橋面拱起的特點(diǎn)，此時(shí)橋面的縱向坡度較大。當(dāng)試驗(yàn)荷載達(dá)到滿載加載量時(shí)，橋面跨中測(cè)點(diǎn)53-1和53-2的位移分別達(dá)到68.33cm和66.10cm，。卸載之后，跨中測(cè)點(diǎn)的相對(duì)殘余變形分別為-3.61%和0.92%。殘余變形較小，說(shuō)明構(gòu)件仍然處于彈性工作狀態(tài)。

工況三與工況四均未完成滿載，其中工況三與工況四分別加載至等效荷載為40個(gè)成年人偏載和20個(gè)成年人偏載時(shí)，橋面跨中截面傾角過(guò)大，如圖13所示，人在橋面已無(wú)法正常站立，橋梁進(jìn)入危險(xiǎn)狀態(tài)，試驗(yàn)停止。

表2與表3分別為工況三及工況四測(cè)試結(jié)果匯總，在等效為小于50人的偏心荷載作用下，橋面跨中截面傾角過(guò)大，在此工況下橋梁完全不能正常使用。檢測(cè)結(jié)果表明，在一側(cè)偏載作用下，橋面產(chǎn)生較大傾角，該橋抗扭剛度較低，其結(jié)構(gòu)性能不能滿足正常使用要求。

通過(guò)橋梁靜載試驗(yàn)可知，雖然該橋在荷載作用下其強(qiáng)度滿足使用要求，但由于抗扭剛度過(guò)低，在偏載作用下，橋梁無(wú)法正常使用，因此，其結(jié)構(gòu)性能不能滿足正常使用要求。

圖8 測(cè)試截面位移測(cè)點(diǎn)布置圖

圖9 工況一1號(hào)測(cè)點(diǎn)側(cè)線形變化示意圖

圖10 工況一2號(hào)測(cè)點(diǎn)側(cè)線形變化示意圖

圖11 工況一跨中測(cè)點(diǎn)豎向撓度荷載-變形曲線

圖12 工況二滿載作用下橋面線形

圖13 工況三工況四作用下橋面傾斜示意圖

表2 工況三撓度檢測(cè)結(jié)果匯總表

表3 工況四撓度檢測(cè)結(jié)果匯總表

6 主要結(jié)論

（1）橋梁現(xiàn)場(chǎng)布置勘察表明，該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；該橋纜索系統(tǒng)無(wú)防護(hù)構(gòu)造，人行欄桿間隙較大，存在較大安全隱患。

（2）有限元計(jì)算分析表明：在不考慮人群振動(dòng)舒適度和結(jié)構(gòu)振動(dòng)穩(wěn)定情況下，按靜力驗(yàn)算，當(dāng)人群荷載達(dá)到0.380kN/m2時(shí)，橋面拉索達(dá)到承載能力極限狀態(tài)。

（3）橋梁靜載試驗(yàn)表明：雖然該橋在荷載作用下其強(qiáng)度滿足使用要求，但由于抗扭剛度過(guò)低，在偏載作用下，橋梁無(wú)法正常使用，因此，其結(jié)構(gòu)性能不能滿足正常使用要求。

（4）本文采用現(xiàn)場(chǎng)勘查和有限元計(jì)算及靜載試驗(yàn)的方法較為全面地反應(yīng)了無(wú)規(guī)范設(shè)計(jì)及無(wú)施工資料的景區(qū)人行索橋的使用性能，對(duì)處理同類工程問(wèn)題具有借鑒作用。

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