基于實測數(shù)據(jù)的人行索橋承載力評估

為了評估人行索橋?qū)嶋H承載力，以索橋?qū)崪y主索索力、實測主索結(jié)構(gòu)線形以及自振基頻數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，分別對彈性理論計算分析和有限元非線性理論計算分析的結(jié)果進行分析對比，評估索橋結(jié)構(gòu)實際承載力及其影響因素。分析結(jié)果表明，兩種理論計算方法得到主索安全儲備較高，撓度也滿足規(guī)范限值要求，索橋主索結(jié)構(gòu)承載力均能滿足規(guī)范要求；在不考慮溫度影響的情況下，有限元非線性理論和彈性理論計算得到的索力、撓度結(jié)果較為接近；在考慮溫度影響的情況下，有限元非線性理論較彈性理論驗算更為準確，其所得到的索力、撓度結(jié)果更為合理；在恒載作用下，大部分實測索力較理論索力偏差小于10%，考慮索鞍對主索的摩阻作用及其隨機性，索力存在一定程度的不均勻性屬正常現(xiàn)象。

索橋； 承載力； 非線性分析； 安全系數(shù)

U448.25A

［定稿日期］2023-07-01

［作者簡介］楊瀟（1994—），男，本科，助理工程師，從事工程檢測工作;張光煒（1995—），男，碩士，助理工程師，從事橋梁和建筑結(jié)構(gòu)檢測鑒定工作。

0 引言

早期修建的景觀索橋，由于缺乏定期的維護，隨著使用年限的增長，主索出現(xiàn)不同程度的結(jié)構(gòu)損傷。因此存在一定的安全隱患，對這些橋梁承載力的檢測和評估成為橋梁管養(yǎng)的重要工作［1］。現(xiàn)以成都市某人行索橋為例，介紹人行索橋承載力評估方法及其主要影響因素。

1 工程概況

該橋上部結(jié)構(gòu)體系為單跨雙塔懸索橋，橋梁全長為225 m，橋面凈寬1.3 m，主跨計算跨徑為L=199 m，設(shè)計矢高f=15 m，矢跨比f/L=1/12.5，人群荷載3 kN/m2；主索采用7根39-6×19+IWR-1770型鋼絲繩的鋼芯鋼絲繩，公稱抗拉強度為1 770 MPa，最小破斷力拉力為849 kN，單位重量5.78 kg/m，單根主索面積A=962 mm2。

2 橋梁狀態(tài)參數(shù)現(xiàn)狀

經(jīng)現(xiàn)場檢查，該橋主要存在主索局部輕微銹蝕、抗風拉索松弛、上下吊桿銹蝕、橋面系鋪裝木板破損、欄桿銹蝕現(xiàn)象，主體結(jié)構(gòu)未見異常。根據(jù)現(xiàn)場主索檢查情況，主索表面完好，錨頭無積水，錨下混凝土無裂紋，Z1取值為1。

2.1 實測索力測量

現(xiàn)場采用弦振法對邊索索力進行測試，在主索上附著傳感器測定頻率，根據(jù)索力與其振動頻率之間的關(guān)系計算索力［2］。現(xiàn)場對左岸的14根邊索進行索力測試，結(jié)果見圖1、圖2。

恒載作用下，實測索力平均值小于理論值，大部分實測索力較理論值偏差小于10%，考慮到索鞍對主索的摩阻作用以及隨機性，索力存在一定程度的不均勻性屬正常現(xiàn)象。

實測垂跨比分別為1/12.51，主索實測跨徑均為198.96 m；主索線形平順，未見突變。

2.3 自振頻率測試

索橋結(jié)構(gòu)是一個多變量的復(fù)雜系統(tǒng)，當結(jié)構(gòu)的物理特性發(fā)生變化時，動力特性也發(fā)生變化。現(xiàn)場通過自然激勵測得橋梁結(jié)構(gòu)固有模態(tài)參數(shù)，實測豎向1階頻率為0.39 Hz大于理論計算值0.31 Hz，fmi/fdi =1.25，橋梁阻尼比為4.6%（正常），表明橋梁結(jié)構(gòu)性能狀況良好［3］。

3 索橋承載力檢算分析

3.1 彈性理論計算結(jié)果

3.1.1 主索索力計算［4］

（1）主索恒載水平拉力Tg和人群活載水平Tr。

Tg=qgL28f=1.845×198.9628×15.90=574.02 kN

Tq=qqL28f=1.8×198.9628×15.90=560.02 kN

式中：L為主跨跨度（實測）；f為垂度（實測）；qg為恒荷載換算至單根主索線荷載；qq為人群荷載換算至單根主索線荷載。

（2）溫度變化產(chǎn)生的拉力Tt。

Tt=±αEAt=±30.01 kN

式中：α為膨脹系數(shù)；E為彈性模量（1.3×105 Mpa）；A為單主索面積；t為溫度20°。

（3）索力計算。按承載能力極限狀態(tài)考慮時，基本組合應(yīng)符合JTG D60-2015《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》第4.1.5條規(guī)范，作用效應(yīng)基本組合下（γ0=1.0）主索水平拉力：

γ0Tj=1.0×（1.2×Tg+1.4×Tr+

0.7×1.4×Ts）=1520.37 kN

主索最大拉力：

Tzmax=γ0Tjcos（φ主）=1766.89 kN

邊索最大拉力：

Tbmax=γ0Tjcos（φb）=1778.36 kN

式中：φz為主索塔頂傾角為17.73°；φb為邊索塔頂傾角為18.85°。

3.1.2 主索撓度計算［5］

（1）主索彈性伸長和撓度計算。

△Sq=TqEA（L+16f23L）=0.1316 m

△fq=15△Sq/16fL（5-24（fL）2）=0.0522 m

式中：△fq為活載引起撓度；△Sq為活載引起主索彈性伸長量。

（2）邊索彈性伸長和撓度計算。

△Sq=TqEAS=0.028 m

△f′q=2.407△Sqcos（φb）=0.0716 m

式中：S為邊索索長（S=10.16 m）；△f′q為邊索彈性伸長引起主索撓度。

（3）溫度荷載引起的撓度。

△St=α×t×L=0.0478 m

△ft=15△St/16fL（5-24（fL）2）=0.1156 m

式中：△St為溫度引起主索彈性伸長量；△ft為溫度引起撓度；為升溫20°

3.2 有限元非線性計算結(jié)果

3.2.1 計算模型

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，計算采用橋梁結(jié)構(gòu)有限元分析軟件Midas Civil 2019v2.1對結(jié)構(gòu)進行非線性分析，全橋共分為540個單元，549個節(jié)點。除結(jié)構(gòu)線形外，結(jié)構(gòu)計算所采用設(shè)計值計算。

3.2.2 主索索力及撓度計算結(jié)果［6］

按承載能力極限狀態(tài)考慮時，基本組合按JTG D60-2015《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》執(zhí)行，在Tg+Tr+Ts（降溫20°）組合工況下：主索索力1 522.40 kN，邊索索力1 547.40 kN；在Tg+Tr+Ts（升溫20°）組合工況下：主索撓度0.652 m。在Tg+Tr的組合工況下：主索索力1 517.50 kN，邊索索力1 541.70 kN；在Tg+Tr+Ts（升溫20°）的組合工況下：主索撓度為0.532 m。

3.3 數(shù)據(jù)分析

（1）索力分析：不考慮溫度對索力影響，彈性理論和有限元非線性檢算結(jié)果較為接近，索力相差為1.95%，安全系數(shù)相差1.90%。考慮溫度影響對索力影響（降溫20°），彈性理論和有限元非線性檢算結(jié)果相差較大，索力相差16.06%，安全系數(shù)相差16.06%。

（2）撓度分析：不考慮溫度對撓度影響，彈性理論和有限元非線性檢算結(jié)果較為接近，撓度相差為8.96%。考慮溫度影響對索力影響（升溫20°），彈性理論和有限元非線性檢算的結(jié)果相差較大，撓度相差29.8%。

（3）承載力計算分析：在承載能力極限狀態(tài)下，橋梁主索抗拉強度滿足檢算荷載（人群荷載3.0 kN/m2）通行要求。在正常使用極限狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)變形能滿足規(guī)范容許值（表1）。

4 結(jié)論

通過對該人行景觀索橋的檢測與檢算，得出結(jié)論：

（1）根據(jù)現(xiàn)場檢測、結(jié)構(gòu)檢算結(jié)果，兩種理論計算方法得到主索安全儲備較高，撓度也滿足規(guī)范限值要求，索橋主索結(jié)構(gòu)承載力均能滿足人群荷載為3.0 kN/m2條件下的要求。

（2）通過比較彈性理論檢算和有限元非線性檢算結(jié)果，在不考慮溫度影響的情況下，有限元非線性理論和彈性理論計算得到的索力、撓度結(jié)果較為接近；在考慮溫度影響的情況下，有限元非線性理論較彈性理論驗算更為準確，其所得到的索力、撓度結(jié)果更為合理。

（3）通過現(xiàn)場的索力測試結(jié)果與理論索力結(jié)果的對比，可以得到在恒載作用下，上、大部分實測索力較理論計算值偏差小于10%，考慮到實際索鞍對主索的摩阻作用以及摩阻力的隨機性，索力存在一定程度的不均勻性屬正常現(xiàn)象。

參考文獻

［1］ 劉敦朝，劉自明.將軍河索道橋的檢測與檢算［J］.世界橋梁，2004（2）：56-58，+64.

［2］ 張正雄，周新年，吳能森，等.生態(tài)旅游景區(qū)簡易懸索橋設(shè)計研究［J］.東北林業(yè)大學學報，2002（2）：66-68.

［3］ 王梅芳，何蘇林.景觀索橋的現(xiàn)狀和檢測［J］.安徽建筑工業(yè)學院學報（自然科學版），2007（1）：34-37.

［4］ 陳遠久，錢永久，唐繼舜.都江堰古安瀾索橋承載能力評估［J］.四川建筑科學研究，2007（5）：60-63.

［5］ 周君嵩，陳晟.景區(qū)人行索橋的檢測和評估［J］.世界橋梁，2013，41（3）：81-84.

［6］ 蔡明.公路舊橋承載力評估方法［J］.橋梁建設(shè)，2005（4）：69-71，+78.