某人行懸索橋靜力荷載試驗(yàn)研究

馬曉坤

摘 要：以某人行懸索橋工程的靜力荷載試驗(yàn)為例，分析了靜載試驗(yàn)的具體內(nèi)容和有限元模型、測(cè)試截面、測(cè)點(diǎn)布置、試驗(yàn)荷載布置方式等試驗(yàn)方法，并且介紹了跨中截面撓度、塔頂縱橋向水平位移、主纜錨跨索股最大張力增量等靜載數(shù)據(jù)的分析方式，希望能為同類型工程開(kāi)展靜力荷載試驗(yàn)工作提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；人行懸索橋；荷載試驗(yàn)；有限元

中圖分類號(hào)：U448? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-6903（2024）05-0119-03

1 工程概況

該橋位遂昌縣王村口5A景區(qū)專用的觀景平臺(tái)。索橋具有結(jié)構(gòu)新穎、線型流暢的景觀特點(diǎn)。上部結(jié)構(gòu)采用雙索面地錨式懸索橋，跨徑60 m，橋梁全寬2.2 m，凈寬2 m。主纜采用雙索面布置，每根主纜由7股6×19W+IWRΦ30 mm鋼芯熱鍍鋅鋼絲繩捆扎而成。全橋共58根吊索，縱向間距為2 m，吊索采用1×37 s +IWRΦ16 mm鋼絲繩。主纜及吊索鋼絲繩公稱抗拉強(qiáng)度1 870 MPa。加勁梁鋼材均采用Q355鋼，全橋共2個(gè)搭接段，9個(gè)橋中段，各段之間采用高強(qiáng)螺栓連接[1]。

2 靜載試驗(yàn)內(nèi)容及方法

2.1 靜載內(nèi)容

本次橋梁靜載荷試驗(yàn)測(cè)量橋梁結(jié)構(gòu)在靜力試驗(yàn)荷載作用下的變形和索力變化。主要測(cè)試項(xiàng)目有：①加勁梁跨中截面的最大撓度（位移）。②塔頂縱橋向水平位移。③主纜錨跨索股張力增量。

2.2 有限元模型

采用Midas Civil程序建立模型進(jìn)行了結(jié)構(gòu)靜力、活載效應(yīng)、加載效率的計(jì)算。懸索橋建模對(duì)于索纜找形極其敏感，建模中所采用的參數(shù)設(shè)置如下：①混凝土。索塔及橋臺(tái)采用梁?jiǎn)卧骼|及吊桿采用索單元進(jìn)行模擬，在POSTCS階段轉(zhuǎn)換為只受拉壓的桁架單元，以考慮成橋內(nèi)力對(duì)索彈模的修正。②主纜和吊索均按照公稱抗拉強(qiáng)度和單股破斷力進(jìn)行有效受力面積、容重的換算，主纜等效直徑為53.431 mm，材料容重為113.948 kN/m3。吊索等效直徑為12.239 mm，材料容重為102 kN/m3。鋼絲繩彈性模量采用1.2×105 MPa。③模型中采用釋放梁端約束進(jìn)行橋段間高強(qiáng)螺栓連接的模擬。④除吊索及主纜自重外，全橋主體結(jié)構(gòu)（含護(hù)欄等附屬構(gòu)件）按照設(shè)計(jì)文件材料重量進(jìn)行了計(jì)算，折合3.6825 kN/m，模型中均按照自重或二期恒載的方式施加在3道縱向加勁梁上。⑤經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察，橋面預(yù)拱度30 cm，已體現(xiàn)在模型中，并且主纜根據(jù)實(shí)際橋面線形進(jìn)行了非線性分析找形。⑥設(shè)計(jì)荷載：該橋僅限人行，人群荷載為2.5 kN/m2。⑦設(shè)計(jì)風(fēng)荷載與風(fēng)纜水平分量平衡進(jìn)行兩側(cè)風(fēng)纜的非線性分析找形，然后與主梁模型進(jìn)行合并并進(jìn)行索纜體系平衡驗(yàn)證。懸索橋有限元模型如圖1所示。

2.3 測(cè)試截面

該橋?yàn)閼宜鳂颍试囼?yàn)跨選擇中跨。主要工況為加勁梁跨中最大撓度工況I，測(cè)試截面為跨中截面。

2.4 測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)點(diǎn)布置示意圖中“×”表示測(cè)點(diǎn)位置，其中L表示跨中撓度測(cè)點(diǎn)，D表示塔頂縱橋向水平位移測(cè)點(diǎn)，S表示索力測(cè)點(diǎn)。試驗(yàn)橋測(cè)點(diǎn)布置示意圖如圖2所示。

2.5 試驗(yàn)荷載布置方式

試驗(yàn)荷載采用14個(gè)1 000 L水囊，尺寸為（1.5 m×1 m ×0.7 m）、8個(gè)400 L水箱，尺寸為（0.98 m×0.76 m×0.68 m）現(xiàn)場(chǎng)裝水模擬設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)荷載，并不致對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生超出設(shè)計(jì)范圍的局部荷載。試驗(yàn)前對(duì)每個(gè)水箱進(jìn)行水量標(biāo)記并編號(hào)。

為了防止試驗(yàn)期間對(duì)結(jié)構(gòu)造成損傷，就某一加載試驗(yàn)工況而言，其靜載試驗(yàn)分為三級(jí)加載，一級(jí)卸載。加載方式為單級(jí)逐級(jí)加到最大荷載，然后卸載至零荷載。試驗(yàn)荷載布置示意圖如圖3所示。

3 靜載數(shù)據(jù)分析

3.1 跨中截面撓度

工況1作用下控制截面撓度實(shí)測(cè)值與理論值的對(duì)比情況詳見(jiàn)表1。分析可得：在試驗(yàn)荷載作用下，橋梁控制截面實(shí)測(cè)撓度小于理論計(jì)算值，撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.81，小于1.0，滿足《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21-2011）中的相關(guān)要求，表面橋梁實(shí)際剛度與理論相符[2]。

卸載后，最大相對(duì)殘余位移為4.5%，未超過(guò)20%，滿足《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》規(guī)定的相對(duì)殘余應(yīng)變不大于20%的要求，表明結(jié)構(gòu)控制截面在試驗(yàn)過(guò)程中處于較好的彈性工作狀態(tài)。

3.2 塔頂縱橋向水平位移

工況1作用下南側(cè)塔頂、北側(cè)塔頂?shù)目v橋向水平位移實(shí)測(cè)值與理論值的對(duì)比情況詳見(jiàn)表2。分析可得：在試驗(yàn)荷載作用下，南側(cè)塔頂、北側(cè)塔頂?shù)膶?shí)測(cè)縱橋向水平位移小于理論計(jì)算值，縱橋向水平位移校驗(yàn)系數(shù)最大值為0.68，小于1.0，滿足《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）中的相關(guān)要求，表面索塔實(shí)際剛度與理論相符。

卸載后，最大相對(duì)殘余位移為4.6%，未超過(guò)20%，滿足《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》規(guī)定的相對(duì)殘余位移不大于20%的要求，表明索塔結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)過(guò)程中處于較好的彈性工作狀態(tài)[3]。

3.3 主纜錨跨索股最大張力增量

工況1作用下南側(cè)、北側(cè)主纜測(cè)點(diǎn)索力增量實(shí)測(cè)值與理論值的對(duì)比情況詳見(jiàn)表3。分析可得：在試驗(yàn)荷載作用下，南側(cè)、北側(cè)主纜測(cè)點(diǎn)索力增量實(shí)測(cè)值均小于理論計(jì)算值，南北側(cè)校驗(yàn)系數(shù)最大值為0.59，小于1.0，滿足《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）中的相關(guān)要求，表面主纜實(shí)際工作狀態(tài)與理論相符。

卸載后，最大相對(duì)殘余為16.6%，未超過(guò)20%，滿足《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》規(guī)定的相對(duì)殘余不大于20%的要求，表明結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)過(guò)程中處于較好的彈性工作狀態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)靜載試驗(yàn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，橋梁承載能力滿足設(shè)計(jì)荷載的使用要求。本文有限元模型建立合理，各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置、邊界條件模擬與實(shí)際橋梁契合度良好。本橋荷載試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⑴c工況選擇可以為以后類似工程研究提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 張欣，劉勇.大跨度人行懸索橋靜動(dòng)力特性研究[J].公路工程，2019，44（3）：74-79.

[2] 王體印.人行懸索橋動(dòng)荷載試驗(yàn)技術(shù)研究[J].價(jià)值工程，2016， 35（12）：161-163.

[3] 司瑞.人行懸索橋驗(yàn)收性荷載試驗(yàn)[J].安徽建筑，2020，27 （4）：182-183.