索俊鋒

（1.西北民族大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730124；2.蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

蘭州楊家灣吊橋靜載試驗(yàn)中的撓度檢測研究

索俊鋒1,2

（1.西北民族大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730124；2.蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

橋梁靜載試驗(yàn)是評價(jià)橋梁質(zhì)量和驗(yàn)證橋梁承載能力是否滿足設(shè)計(jì)要求的重要手段，而撓度測量是橋梁檢測的重要組成部分。現(xiàn)以蘭州市楊家灣吊橋靜載試驗(yàn)檢測的實(shí)際案例為依托，闡述了靜載試驗(yàn)中位移觀測點(diǎn)的布設(shè)、施測方法、試驗(yàn)荷載設(shè)計(jì)原理。通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、撓度曲線、位移變化分析，結(jié)果表明：在試驗(yàn)荷載作用下變形無異常，經(jīng)維修加固后承載能力滿足設(shè)計(jì)荷載通過的使用要求，橋面更加平順，上下游對稱性較好。

靜載試驗(yàn)；撓度檢測；位移；線形測量；楊家灣吊橋

0　引言

橋梁在長期使用過程中，由于環(huán)境侵蝕、材料老化和日益加重的交通量及重車、超重車過橋數(shù)量的不斷增加[1]，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)損傷和功能退化，從而造成抵抗自然災(zāi)害、正常環(huán)境下的使用能力下降，極端情況下導(dǎo)致災(zāi)難事故發(fā)生，造成重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[2]。為了保障橋梁結(jié)構(gòu)在營運(yùn)期間的承載能力、耐久性和安全性，對已建成和在建大型橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測顯得非常重要，目前已成為一個(gè)熱門的研究領(lǐng)域[3]。橋梁靜載試驗(yàn)即測定靜荷載作用下指定位置的工作狀態(tài)和使用能力，從橋梁結(jié)構(gòu)中提取能反映結(jié)構(gòu)特性的參數(shù)，對橋梁的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營管理進(jìn)行科學(xué)的評估，為橋梁的安全使用提供可靠的依據(jù)[4]，它是評價(jià)橋梁質(zhì)量和驗(yàn)證橋梁承載能力是否滿足設(shè)計(jì)要求的重要手段[5,6]。通過校驗(yàn)系數(shù)來說明結(jié)構(gòu)潛在的承載力，由相對殘余變形反應(yīng)結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)。當(dāng)通過橋梁調(diào)查和檢算分析尚不足以評定橋梁承載力時(shí)，可采用荷載試驗(yàn)測定橋梁的實(shí)際工作狀況，結(jié)合橋梁調(diào)查、檢測與檢算來評定橋梁的實(shí)際承載能力[7]。橋梁撓度測量是橋梁檢測的重要組成部分，是橋梁安全性評價(jià)的一項(xiàng)重要指標(biāo)[8]。

本文以蘭州市城關(guān)區(qū)楊家灣吊橋靜載試驗(yàn)檢測的實(shí)際案例為依托,闡述根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)荷載分析計(jì)算出橋梁實(shí)際承載能力,采用等效荷載對橋梁進(jìn)行靜力加載試驗(yàn)。通過測試橋梁在實(shí)際荷載作用下的響應(yīng),以豎向位移測量結(jié)果為視角，評定橋梁實(shí)際承載能力是否滿足設(shè)計(jì)要求的試驗(yàn)檢測。

1　工程概況

楊家灣吊橋建于1987年，地處蘭州市桑園峽，橋軸線位于包蘭鐵路黃河大橋上游250 m處，如圖1所示。主跨為柔性吊橋，原設(shè)計(jì)跨徑為180 m，矢高為15 m，矢跨比為1/12，兩側(cè)主索各由14-7×19 φ45 mm鋼絲繩組成，橋面跨中設(shè)置預(yù)拱度0.92 m，其余各點(diǎn)按拋物線設(shè)計(jì)。兩側(cè)主索中距5.00 m，吊桿順橋向間距4.0 m，橫橋向間距5.0 m。索鞍、套筒、索夾均采用45#鋼。索塔采用塔高為17.5 m的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。為加強(qiáng)橋面系統(tǒng)的橫向穩(wěn)定性，縱梁下設(shè)置角鋼斜撐風(fēng)構(gòu)，橋跨上、下游設(shè)置抗風(fēng)纜。原設(shè)計(jì)荷載為允許1 veh15 t載重汽車+人群荷載200 kg/m2（考慮人群寬度2.0 m）通過。

楊家灣吊橋由于年久失修，加之車流量大，橋面出現(xiàn)不同程度破損。受蘭州市城關(guān)區(qū)公路管理段委托，2014年12月6日起對該橋進(jìn)行表觀檢查，并在此基礎(chǔ)上對該橋進(jìn)行維修加固設(shè)計(jì)。2015年8月-11月，對橋梁進(jìn)行維修加固，2015年11月19日對加固后橋梁進(jìn)行檢測評估，測試內(nèi)容包括應(yīng)變檢測和撓度檢測。

圖1　楊家灣吊橋平面圖

2　試驗(yàn)內(nèi)容、原理及方法

2.1試驗(yàn)內(nèi)容及檢測方法

靜載試驗(yàn)通過對橋梁結(jié)構(gòu)控制部位的內(nèi)力（應(yīng)力）、變形（位移）的觀測、記錄及分析，完成結(jié)構(gòu)的如下檢測內(nèi)容：

（1）橋梁結(jié)構(gòu)受力性能檢測；

（2）在試驗(yàn)荷載作用下檢測典型截面處橋面板及縱、橫梁的應(yīng)力，吊桿、橋塔應(yīng)力；

（3）橋梁結(jié)構(gòu)的剛度檢測；

（4）在試驗(yàn)荷載作用下檢測各控制截面處的撓度。

該項(xiàng)研究主要針對不同工況進(jìn)行撓度檢測。

2.2位移測點(diǎn)布置

2.2.1測點(diǎn)位置布設(shè)原則

測點(diǎn)位置的布設(shè)，應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)的目的和橋梁的結(jié)構(gòu)形式來確定，總體上應(yīng)遵循以下三個(gè)原則：

本文擬通過介紹生物質(zhì)顆粒燃料及其特性，綜述國內(nèi)外生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀，對比分析國內(nèi)環(huán)模顆粒成型機(jī)和平模顆粒成型機(jī)的性能和應(yīng)用，探討國內(nèi)外生物質(zhì)顆粒燃料成型技術(shù)及設(shè)備存在的問題，并提出我國生物質(zhì)顆粒燃料設(shè)備及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方向。

（1）測點(diǎn)應(yīng)布設(shè)在便于分析計(jì)算和具有代表性的關(guān)鍵部位（如最大撓度處）。

（2）便于觀測。根據(jù)控制點(diǎn)位置，在盡量少設(shè)測站原則下布設(shè)點(diǎn)位，既方便觀測，又能提高精度。

（3）多余觀測，即布設(shè)校核性測點(diǎn)，目的在于驗(yàn)證觀測結(jié)果的可靠性，充分體現(xiàn)某些系統(tǒng)誤差的影響，便于剔除粗差，有利于測試結(jié)果的分析。

2.2.2觀測方案的制定

在橋梁靜載試驗(yàn)中，測定的量一般均為相對變化值，即某種荷載狀態(tài)下觀測點(diǎn)的測定值與初始值的差值。因此，測試平面控制網(wǎng)的建立宜采用獨(dú)立的橋軸線坐標(biāo)系統(tǒng),這樣觀測量的變化值即可直接反映出測點(diǎn)位置縱橋向和順橋向的位移量。網(wǎng)形布設(shè)時(shí)結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)形式和橋址地形情況綜合分析,優(yōu)化設(shè)計(jì)。測試時(shí)高程基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)應(yīng)考慮便于使用，且河岸兩側(cè)的高程基準(zhǔn)點(diǎn)聯(lián)測要有足夠的精度[4]。

根據(jù)楊家灣吊橋地形和自身?xiàng)l件，采用獨(dú)立坐標(biāo)系布設(shè)測量控制點(diǎn)D01、D02、D03，如圖1所示。平面坐標(biāo)采用徠卡TPS1202型全站儀進(jìn)行閉合導(dǎo)線施測，導(dǎo)線全長相對閉合差為1/287420，滿足橋梁控制網(wǎng)限差的要求；高程控制網(wǎng)采用天寶DINI03型數(shù)字水準(zhǔn)儀配合銦瓦水準(zhǔn)尺以D01為起算點(diǎn)施測閉合水準(zhǔn)網(wǎng)，高差閉合差為1.083 mm，滿足三等水準(zhǔn)測量的要求。2014年12月6日進(jìn)行控制點(diǎn)和橋梁線形的初次觀測，經(jīng)加固后，該項(xiàng)試驗(yàn)對三維控制網(wǎng)進(jìn)行復(fù)測，經(jīng)分析比對，控制點(diǎn)沒有發(fā)生沉降和位移，為使控制基準(zhǔn)的統(tǒng)一，采用首次觀測值。

該項(xiàng)試驗(yàn)采用全站儀結(jié)合精密水準(zhǔn)儀的方式完成各加載工況下的撓度測試。將全站儀架設(shè)在D01點(diǎn)，分別用D02、D03點(diǎn)加以校核，采用三維坐標(biāo)測量模式測量索塔撓度觀測點(diǎn)的位移。將兩臺(tái)天寶DINI03型數(shù)字水準(zhǔn)儀分別假設(shè)于南岸下游和北岸上游，采用“水準(zhǔn)線路測量”+“中間點(diǎn)測量”模式，每觀測一次工況，都形成一條附合或閉合水準(zhǔn)路線，每一測站都會(huì)有校核和檢驗(yàn)，如果超限，就重新觀測。測點(diǎn)布置見表1所列和圖2所示。

表1　全橋豎向位移測點(diǎn)布置一覽表

圖2　測點(diǎn)布置圖

2.3.1試驗(yàn)荷載確定原則

靜載試驗(yàn)是檢驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)的當(dāng)前狀態(tài)、分析橋梁既有缺陷（病害）對結(jié)構(gòu)承載能力和耐久性的影響、評估結(jié)構(gòu)的安全性、檢驗(yàn)橋梁的使用性能、推斷橋梁通行能力的有效手段。根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）[9]，為準(zhǔn)確評定結(jié)構(gòu)行為，靜載試驗(yàn)效率ηq[5]應(yīng)滿足如下范圍：

式中：ηq表示靜載試驗(yàn)荷載效率；SS表示靜力試驗(yàn)荷載作用下，某一加載試驗(yàn)項(xiàng)目對應(yīng)的加載控制截面內(nèi)力、應(yīng)力或變位的最大計(jì)算效應(yīng)值；S'表示檢算荷載產(chǎn)生的同一加載控制截面內(nèi)力、應(yīng)力或變位的最不利效應(yīng)計(jì)算值；μ表示按規(guī)范取用的沖擊系數(shù)值。

2.3.2理論計(jì)算

采用Midas Civil建立全橋有限元模型，全橋由1 584個(gè)單元組成，其中索單元182個(gè)、梁單元1 402個(gè)；南北兩岸主纜及橋塔邊界條件均為固結(jié)，主梁邊界條件為簡支。有限元空間模型見圖3所示。

橋面二期荷載以均布荷載的形式施加于縱梁之上，索夾、螺栓等重量以集中力的形式施加于結(jié)構(gòu)實(shí)際位置。通過對全橋進(jìn)行特征值分析，求得橋梁的豎向一階頻率為0.305 Hz<1.5 Hz，沖擊系數(shù)μ=0.05。

圖3　全橋有限元模型

2.3.3試驗(yàn)荷載工況

按照設(shè)計(jì)荷載和試驗(yàn)荷載在控制截面處產(chǎn)生的內(nèi)力或變形反應(yīng)等效的原則，確定試驗(yàn)荷載的加載工況。

工況一、二：全橋加載。實(shí)驗(yàn)荷載由16 veh輕卡車和1 veh重貨車組成，參數(shù)見表2所列，重車作用在跨中位置，車頭向北岸。

工況三：跨中加載，單車15 t+設(shè)計(jì)人群荷載（2.5 kN/m2），以跨中撓度為控制參數(shù)。試驗(yàn)荷載由8 veh輕卡車和1 veh重貨車組成，參數(shù)見表2所列，試驗(yàn)荷載加載布置情況見圖4所示，重車后軸作用在跨中位置，車頭方向北岸。

表2　試驗(yàn)車輛參數(shù)表

圖4　工況三加載布置圖

工況四：3L/4加載，單車15 t+設(shè)計(jì)人群荷載（2.5 kN/m2），以3L/4截面撓度為控制參數(shù)。試驗(yàn)荷載由8 veh輕卡車和1 veh重貨車組成，參數(shù)見表2所列，試驗(yàn)荷載加載布置情況見圖5所示，重車后軸作用在33#吊桿位置，車頭方向南岸。

圖5　工況四加載布置圖

控制截面試驗(yàn)荷載效率計(jì)算結(jié)果見表3所列。

表3　試驗(yàn)荷載效率計(jì)算結(jié)果一覽表

3　試驗(yàn)結(jié)果及分析

（1）線形測量。加載實(shí)驗(yàn)前，首先用全站儀自由設(shè)站法對吊橋線形進(jìn)行觀測，然后將數(shù)據(jù)根據(jù)軸向坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換[10]，生成上、下游的立面數(shù)據(jù)，通過疊加分析加固前后兩期數(shù)據(jù)變化情況。圖6為上游南岸半幅主索和橋面加固前后位移變化圖，主索豎向位移最大為0.171 4 m，橋面豎向位移最大為0.120 4 m。下游主索和橋面加固前后位移變化與上游趨于一致，主索豎向位移最大為0.170 6 m，橋面豎向位移最大為0.120 1 m。加固后橋面和主索在豎向上都出現(xiàn)下移，但橋面在豎向仍呈微拱形，拱高出現(xiàn)在L/2處，為0.469 m。

圖6　上游主索和橋面加固前后位移變化示意圖

（2）不同工況下觀測點(diǎn)的豎向位移。靜態(tài)加載試驗(yàn)設(shè)計(jì)四種不同工況測量豎向位移。不同工況下與加載前高程數(shù)據(jù)比較分析結(jié)果見表4所列，上、下游豎向撓度曲線見圖7、圖8所示。經(jīng)比較可知，工況一、二加卸載前后圖形豎向位移變化基本一致，最大位移出現(xiàn)在橋中L/2處，分別達(dá)到0.497 m和0.510 m，卸載后橋面得到了及時(shí)恢復(fù)；工況三與工況一、二，經(jīng)比較可知，工況三圖形變化幅度要大于工況一、二，原因在于工況一、二采用17 veh車加載，車位幾乎覆蓋了整個(gè)橋面，其受力變化比較均勻，而工況三的9 veh車主要集中在橋中L/2處，使得橋中部分明顯下移，在L/8和7L/8處橋面隆升，但是總體趨勢上與工況一、二保持一致；工況四最大受力點(diǎn)為橋梁3L/4處，上游沉降值達(dá)到最大值0.689 m，下游達(dá)到0.736 m，隆升最大值出現(xiàn)在L/4處，上下游分別為0.403 m和0.429 m；卸載后橋梁都恢復(fù)較好。

（3）不同工況下點(diǎn)位橋梁軸線方向位移變化。在對觀測數(shù)據(jù)粗差進(jìn)行剔除后，上、下游位移各點(diǎn)位變化趨勢基本一致，如圖9、圖10所示。上、下游位移最大值分別出現(xiàn)在3L/4、5L/8處，達(dá)到-0.047 m、-0.017 m，均出現(xiàn)在工況二卸載時(shí)，說明加載前后對橋梁軸向位移影響較大，應(yīng)對這兩處吊桿周圍進(jìn)行再次加固。索塔隨不同工況荷載軸向方向做振幅在1 cm范圍內(nèi)擺動(dòng)。上游橋面0-3L/8比較穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)較大的波動(dòng)。

表4不同工況測點(diǎn)豎向位移比較表（單位：m）

圖7　上游不同工況下?lián)隙惹€圖

圖8　下游不同工況下?lián)隙惹€圖

圖9　上游不同工況下軸向位移曲線圖

圖10　下游不同工況下軸向位移曲線圖

4　結(jié)論及建議

（1）本文闡述了蘭州市楊家灣吊橋靜載實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法和過程，并根據(jù)不同工況下豎向位移數(shù)據(jù)加以分析，結(jié)果表明，楊家灣吊橋在試驗(yàn)荷載作用下變形無異常。經(jīng)維修加固后承載能力滿足設(shè)計(jì)荷載等級為：15 t載重汽車+人群荷載2.5 kN/m2（考慮人群寬度2.0 m）通過的使用要求，表明橋梁總體性能達(dá)到加固設(shè)計(jì)要求，施工控制較好。比較兩期橋梁線形觀測數(shù)據(jù)可知，維修加固后，主索和橋面中點(diǎn)高程變化最大，上、下游的主索和橋面高程變化值分別為-0.1714和-0.1204、-0.1706和-0. 1201，橋面更加平順，上下游對稱性較好，兩側(cè)吊桿基本處于鉛垂?fàn)顟B(tài)。

（2）在橋梁靜載試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)形式和橋址地形情況，因地制宜，選用適合于該橋的觀測方案。在選用觀測方法時(shí)，優(yōu)先考慮快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的現(xiàn)代先進(jìn)儀器和簡單易行的觀測方法，既重視精度又要強(qiáng)調(diào)速度。測點(diǎn)布設(shè)宜少而精，點(diǎn)位盡可能布設(shè)在工程重點(diǎn)部位和變形敏感區(qū)。

（3）楊家灣吊橋結(jié)構(gòu)的整體靜力剛度雖然能滿足要求，但在重車過橋情況下，跨中和L/4點(diǎn)主索和橋面動(dòng)態(tài)變化幅度較大，大橋有被車輛激發(fā)產(chǎn)生加大振動(dòng)的可能，因此應(yīng)該加強(qiáng)過橋車輛的管理，對大橋的通行條件進(jìn)行限制，允許小型車輛單車道且沿中間通行，并在吊橋北岸和南岸分別進(jìn)行限寬、限高、限載通行。定期對橋梁進(jìn)行檢測養(yǎng)護(hù)可以及時(shí)掌握橋梁病害情況，并對橋梁實(shí)際承載能力做出評定，根據(jù)檢測結(jié)果分析病害原因，為橋梁進(jìn)一步加固設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

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U446

A

1009-7716（2016）03-0150-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.03.044

2015-12-04

甘肅省高等學(xué)?？蒲许?xiàng)目（2015B-003）

索俊鋒(1976-)，男，陜西丹鳳人，博士，副教授，從事工程測量、橋梁檢測、“3S”應(yīng)用的教學(xué)及研究工作。