某鋼結構人行懸索橋的檢測和評估

曾理文 尹華堯

(1.北京城建長城建筑裝飾有限公司，北京 100089； 2.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610000)

1 工程概況

成都戛納灣府河上的風情廊橋，結構形式為鋼結構人行懸索橋，橋梁凈寬度：5.0 m，主跨跨徑：L=52 m，矢高：4.16 m，矢跨比：1/12.5；設計荷載為人群荷載：5 kN/m2(不考慮汽車荷載)；通航要求：內河Ⅵ級該橋設計為跨徑(26+52+26)m，橋跨度總長104 m，見圖1。

2 檢測方法和內容

2.1 技術狀況評定

本文選擇《公路橋梁技術狀況評定標準》[1]推薦的方法對該懸索橋的上部結構進行技術狀況評定。上部結構細分為i類鋼結構部件，每個部件再細分為Ⅰ類鋼結構構件，每個鋼結構構件要通過j類檢測指標，詳細評定檢查內容如表1所示。同時以部件吊索的評分過程為例，敘述鋼結構構件的腐蝕狀況評分的方法。

表1 上部鋼結構構件狀況檢查內容

吊索的主要鋼結構構件有錨固端、鋼絲等，通過外觀檢測發現吊索的腐蝕病害主要在錨固端，鋼絲等其他構件外觀良好不存在腐蝕病害，故評定該部件技術狀況等級為3類。

由圖2～圖5可知錨固端共出現四種腐蝕病害“滲水”標度3、“錨頭損壞”標度2、“銹蝕”標度2、“掉漆起皮”標度1。

(1)

(2)

注意當構件存在多個病害時，應嚴格按照DP的大小來進行UX的排序，否則將出現計算結果不統一，影響構件評分的后果。構件錨固端的評分為：

(3)

吊索其他構件不存在腐蝕病害，故部件吊索的得分為：

(4)

在得到所有部件得分后，計算結構評分，通過結構得分計算橋梁評分，橋梁整體得分Dr為85.53，評定為2類橋。

2.2 線形檢測

主纜作為懸索橋結構的主要受力構件，其線形的分析設計是需要建立在“主纜只能承受拉力，不能承受彎矩”的基本假定基礎上的[2]。本文中橋面線形采用測量各測點相對于固定點的距離和高程，從而得出上、下游主纜及橋面的幾何線形及其對比情況。

2.2.1主纜線形檢測

如圖6所示以靠近左岸的橋塔中心線與主纜相交點為坐標原點進行線形繪制。

經檢測通過對上下游側主纜線形比較，兩者基本重疊線形一致，未出現扭轉變形。單根主纜線形光滑連續，未出現突變或受橫向力產生的橫向位移。因此可判斷，主纜未承受彎矩，基本符合懸索橋主纜線性分析的基本假定。

2.2.2橋面線形檢測

如圖7所示以靠近左岸的橋塔中心線與橋面相交點為坐標原點繪制橋面線形對比圖。

經檢測橋面平整，通過上下游側橋面線形比對，兩者基本重疊線形一致，未出現扭轉變形等異常現象，不會對主纜產生除沿主纜長度方向的拉應力外的其他應力。

2.3 荷載試驗

靜載試驗是通過施加靜力荷載，檢驗結構主要受力構件在最大(最小)內力狀態下的應變和變形[3,4]。加載位置一般選取結構的關鍵截面，并且需按照內力等效的原則確定試驗荷載的大小和加載位置，使試驗荷載作用下的結構內力與設計荷載作用下的結構內力相近或接近，同時確保各試驗工況下結構處于安全狀態下[5,6]。

1)測試截面確定。橋梁靜載試驗選擇測試截面時，按最不利受力原則選定截面為中跨最大彎矩截面和中跨3L/8截面。

2)測試荷載及加荷方式。試驗荷載采用單車重量為13 kN，軸距2.7 m的普通小型汽車施加，共設置5個工況。如圖8所示，一級荷載時1號車豎向中心線與中跨跨中截面重合；二級加載時，1號和2號車的整體幾何豎向中心線與中跨跨中截面重合；三、四、五級加載同上。

3)撓度測點布置。采用全站儀觀測在加載前和加載過程中測點的豎向相對坐標，測點布置見圖9。

4)索力、吊桿應力測試。懸索橋索力測試主要為主纜索力和吊桿索力測試，測點布置見圖9。采用模態試驗法，測量主纜在自然環境振動下的振動的信號得到其振動頻率、阻尼比、振型等模態參數。

通過下式計算將頻率轉換成主纜的索力：

(5)

其中，fn為主纜的第n階頻率；l為主纜長；n為振動階數；w為單位主纜長的重量；g為重力加速度；EI為主纜的抗彎剛度；對于柔性主纜，EI=0。

5)吊桿應力增量測點布置。通過事先的有限元模型計算確定如圖9所示的1號，2號桿為吊桿應力增量最大的構件為測點。吊桿應力增量采用靜態應變儀進行測量。試驗測量了試驗荷載下吊桿力的增量，與理論值比較后，確定吊桿的工作狀態是否合理(如圖8所示)。

2.4 結果分析

2.4.1撓度試驗結果分析

1)1號～3號測點，實測值均小于理論值，一級～五級工況下實測值和理論值的變化趨勢基本相同。

2)1號～3號測點，理論值曲線增長較平緩，實測值曲線增長稍顯雜亂，這是因為試驗現場測試干擾因素較多，實測值存在誤差，但從整體變化規律看誤差在允許范圍內。

3)1號～3號測點，校驗系數均處在0.75～1.0的范圍內。

2.4.2索力試驗結果分析

1)測點處索力、索力增量的實測值與理論值，在一級～五級工況下，實測值均小于理論值，增長趨勢大致相同。

2)索力增量實測曲線較理論增量曲線顯得平緩一些，這是因為除實測誤差以外，索力值是通過模態測試所得，環境激勵下，主纜振動受環境阻力影響，頻率較理論值低，故增量實測值曲線增長漸緩。

3)測點索力增量校驗系數處在0.75～1.0的范圍內。

2.4.3吊桿應力試驗結果分析

1)1號、2號吊桿應力的實測值與理論值，在一級～五級工況下，實測值均小于理論值，增長趨勢大致相同。

2)1號吊桿在各級工況下應力均大于2號吊桿，是因為1號、2號與同一條主纜相接，1號吊桿處主纜的豎向分力最大，2號吊桿處的豎向分力最小。

3)1號、2號吊桿應力，校驗系數處在0.75～1.0的范圍內。

3 結語

該橋技術狀況等級為2類橋；主纜和橋面線性反映該橋的主要水平受力構件未出現扭轉變形，符合懸索橋主纜設計計算的基本假定；位移與力值的比值校驗系數在各級工況下均處于0.75～1.0的區間內，證明該鋼結構人行懸索橋在試驗荷載作用下處于彈性狀態且荷載撤銷后，殘余變形可忽略不計。由此可得出結論，該鋼結構人行懸索橋承載力滿足設計和規范要求。