劉 明，馬國綱

（1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州市城市建設(shè)設(shè)計院，甘肅 蘭州 730050）

蘭州楊家灣吊橋靜載實驗中的主纜索力測試研究

劉 明1，馬國綱2

（1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州市城市建設(shè)設(shè)計院，甘肅 蘭州 730050）

橋梁靜載試驗是判斷橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下是否滿足其工作性能的重要手段，而主纜鋼絲繩索力測試是橋梁靜載試驗的重要組成部分?，F(xiàn)以蘭州市楊家灣吊橋靜載試驗的實際案例為依托，闡述了靜載試驗中主纜索力測試的測設(shè)原理、測點(diǎn)布置方法、試驗荷載設(shè)計原理。通過對實測結(jié)果與有限元計算值的對比分析，結(jié)果表明：在恒載及車輛荷載作用下，主纜鋼絲繩索力小于設(shè)計容許值，可滿足汽-10級的承載力要求。

靜載試驗；工作性能；索力測試；楊家灣吊橋

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通運(yùn)輸量大幅度增長，行車密度及車輛載重越來越大，尤其是推行拖掛運(yùn)輸和集裝箱運(yùn)輸后，重型車輛日益增多，現(xiàn)有相當(dāng)一部分公路橋梁已滿足不了使用要求，這是世界各國面臨的嚴(yán)峻問題[1]。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[2]。為此，需對橋梁的使用狀況、缺陷及損傷進(jìn)行全面檢查，明確缺陷和損傷的性質(zhì)、部位、嚴(yán)重程度及發(fā)展趨勢，以便分析、評價缺陷及損傷對橋梁性能和承載力的影響，為橋梁維護(hù)、加固或改造設(shè)計提供技術(shù)依據(jù)[3]。橋梁靜載試驗是一種直觀評定橋梁承載力的方法，通過在橋梁上施加與設(shè)計荷載或使用荷載基本相當(dāng)?shù)暮奢d，測試橋梁結(jié)構(gòu)的控制截面在各級試驗荷載作用下的振動參數(shù)、撓度、應(yīng)力等特性的變化，將測試結(jié)果與按相應(yīng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)計算值及相關(guān)規(guī)定值做比較，從而評定橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力。主纜的索力測試是懸索橋靜載試驗中的重要組成部分，也是安全性評價的一項重要指標(biāo)。

本文以蘭州市城關(guān)區(qū)楊家灣吊橋靜載試驗的實際案例為依托，在靜載試驗中施加等效車輛荷載的情況下，通過分析信號采集分析儀采集的頻譜，得到主纜鋼絲繩的頻率，計算出鋼絲繩索力。通過分析索力測試值與理論值差值曲線來評定主纜鋼絲繩索力是否滿足汽-10級的承載力要求。

1 工程概況

蘭州市青白石鄉(xiāng)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250m處，橋位兩岸屬黃河一階臺地，橋臺為質(zhì)地堅硬的花崗巖，橋位處河床順直。楊家灣吊橋主跨為柔性吊橋，設(shè)計跨徑為L=180m，矢高為15m，矢跨比為1/12，兩側(cè)主纜各由14根45鋼絲繩組成。橋面凈寬4.5m，兩側(cè)各有寬度為0.8m的人行道。橋梁設(shè)計荷載為一輛15t載重汽車和2.0kN/m2的人群荷載。橫梁共計44根，采用40#普通工字鋼，縱梁共計242根，沿橫向均勻布置，共11道，分別由外緣24#工字鋼和中間28#工字鋼組成?？v梁下設(shè)置角鋼斜撐。索塔采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用重力式片石混凝土。楊家灣吊橋總布置圖如圖1所示。

圖1 楊家灣吊橋總布置圖

2 實驗內(nèi)容、原理及方法

2.1 實驗內(nèi)容

根據(jù)楊家灣吊橋的結(jié)構(gòu)及構(gòu)造特點(diǎn)，依據(jù)有關(guān)規(guī)范及規(guī)程，進(jìn)行靜載試驗。主要工作內(nèi)容包括：

（1）主纜鋼絲繩索力檢測。

（2）吊桿內(nèi)力檢測。

（3）試驗荷載作用下，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。

（4）試驗荷載作用下，構(gòu)件局部承載力檢測。

本文主要針對在全橋加載的情況下，進(jìn)行主纜鋼絲繩索力的測試。

2.2 測點(diǎn)布置

主纜鋼絲繩索力測點(diǎn)布置在南岸上游錨室內(nèi)。錨室主纜由14根鋼絲繩組成，主纜在散索夾之后分為4層分別錨固，第一層2根，其余各層均為4根，主纜鋼絲繩編號示意圖如圖2所示。現(xiàn)場采用動測法測試主纜鋼絲繩索力。測試時，將INV9808加速度傳感器分別固定于主纜鋼絲繩上，通過人工激振，采用INV信號采集分析儀采集振動信號，通過頻譜分析，得到鋼絲繩的自振頻率，依據(jù)頻率與索力的關(guān)系，計算出實測索力，并與計算值進(jìn)行對比，了解主纜鋼絲繩的受力狀況。

圖2 主纜鋼絲繩編號示意圖

與竣工圖紙的標(biāo)注相對應(yīng)，為方便現(xiàn)場檢測，對全橋各部位構(gòu)件數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)一編號，編號原則按如下方式編制。

(2) 盡管Q系統(tǒng)支護(hù)圖表中，對不同質(zhì)量圍巖支護(hù)參數(shù)的考慮是有連續(xù)性的，但考慮實際應(yīng)用的簡化，不可能對所有的Q值設(shè)計針對性的支護(hù)參數(shù)，通常的做法是將圍巖劃分為五個支護(hù)等級，五個等級如何劃分并不存在統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，本文的劃分方式可作為一種參考。

（1）吊桿編號。由北岸至南岸依次為1#～44#吊桿。

（2）主纜鋼絲繩編號。自上而下依次如圖2所示。

2.3 加載工況

2.3.1 試驗荷載的確定原則

通過靜載試驗，可以檢驗橋梁結(jié)構(gòu)的當(dāng)前狀況，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，檢驗橋梁的使用性能，推斷橋梁通行能力[4]。根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/TJ21—2011）[5]，為準(zhǔn)確評定結(jié)構(gòu)行為，靜載試驗效率ηq[6]應(yīng)滿足如下范圍：

式中：ηq為靜載試驗荷載效率；Ss為靜力試驗荷載作用下，某一加載試驗項目對應(yīng)的加載控制截面內(nèi)力、應(yīng)力或變位的最大計算效應(yīng)值；S'為驗算荷載產(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)計算值；μ為按規(guī)范取用的沖擊系數(shù)值。

2.3.2 理論計算

圖3 全橋有限元模型

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0.304Hz＜1.5Hz，故沖擊系數(shù)取μ=0.05。

2.3.3 試驗荷載工況

索力測試加載方式采用汽-10級車輛荷載標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行全橋加載。試驗荷載由1輛重車+16輛主車組成，車輛參數(shù)見表1，試驗荷載車輛加載布置圖如圖4所示。重型卡車后軸作用在22#～23#吊桿之間，車頭朝向北岸，重型卡車與南岸側(cè)相鄰輕型卡車后軸間距為8m，其余車輛后軸間距為7.5m，沿橋中線加載。

表1 加載車輛參數(shù)

圖4 車輛加載布置圖

采用空間分析模型，確定等效試驗荷載的布置方式，通過試驗荷載作用下的內(nèi)力值或位移值與設(shè)計值的對比，計算出在全橋加載時的試驗荷載效率滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》的規(guī)定，即0.95≤ηq≤1.05，見表2。

表2 試驗荷載效率系數(shù)

3 試驗結(jié)果及分析

對主纜索力實測值與理論值進(jìn)行對比分析。加載車輛到位后，用人工激振作為振源，采用INV信號采集分析儀收集振動信號，通過頻譜分析，得到主纜鋼絲繩的頻率，依據(jù)頻率與索力的關(guān)系計算出鋼絲繩索力。全橋加載的情況下，南岸單根鋼絲繩索力理論值802.8kN/14=57.3kN，選取南岸下游側(cè)錨室主纜的14根鋼絲繩進(jìn)行測試，測試及分析結(jié)果見表3，測試值與理論值的差值曲線如圖5所示。通過實測值與理論值的對比分析發(fā)現(xiàn)，主纜鋼絲繩拉力分布不均勻，校驗系數(shù)在0.40～1.33。除N-X-3、N-X-6、N-X-14主纜鋼絲繩測試值比理論值偏大外，其余主纜鋼絲繩索力測試值均小于理論值。主纜鋼絲繩總的索力測試值（602.36kN）小于理論值（802.8kN），校驗系數(shù)平均值為0.75。在恒載及車輛荷載作用下，主纜鋼絲繩索力小于設(shè)計容許值，可滿足汽-10級的承載力要求。

主纜鋼絲繩索力測試的部分時程曲線及頻譜曲線如圖6～圖9所示。

表3 全橋加載主纜鋼絲繩索力測試結(jié)果 kN

圖5 主纜鋼絲繩索力測試值與理論值差值曲線

圖6 N-X-2主纜鋼絲繩索力測試時程曲線及頻譜圖

圖7 N-X-5主纜鋼絲繩索力測試時程曲線及頻譜圖

圖8 N-X-7主纜鋼絲繩索力測試時程曲線及頻譜圖

圖9 N-X-13主纜鋼絲繩索力測試時程曲線及頻譜圖

4 結(jié)語

（1）本文闡述了蘭州市楊家灣吊橋靜載試驗中主纜索力測試的檢測方法及過程，從測試及分析結(jié)果可見，主纜鋼絲繩的拉力出現(xiàn)分布不均勻的現(xiàn)象。由主纜鋼絲繩索力測試值與理論值差值曲線可知，部分主纜鋼絲繩索力測試值比理論值偏大，但總數(shù)量小于10%。故在恒載及車輛荷載作用下，主纜鋼絲繩索力小于設(shè)計容許值，可滿足設(shè)計荷載汽-10級的承載力使用要求。

（2）在橋梁靜載試驗時，根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及所處的地理位置情況，選用恰當(dāng)?shù)乃髁y試方案。楊家灣吊橋主纜鋼絲繩索力雖然能滿足靜載試驗要求，但在重車過橋情況下，主纜鋼絲繩會出現(xiàn)受力不均勻的現(xiàn)象，車輛激振加大索力，因此應(yīng)注意橋面通行車輛的限制性管理，嚴(yán)禁超設(shè)計荷載車輛通行。定期對橋梁健康狀況進(jìn)行監(jiān)測，避免橋梁在使用中出現(xiàn)安全隱患。

[1]蒙云，盧波.橋梁加固與改造 [M].北京：人民交通出版社, 2007：1.

[2]索俊鋒.蘭州楊家灣吊橋靜載試驗中的撓度檢測研究[J].城市道橋與防洪，2016,3(3)：150-154.

[3]吳建奇，鄭曉，張婷婷.橋梁檢測中的靜載試驗研究[J].鐵道建筑，2011,42(3)：42-44.

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[5]JTG/TJ21—2011,公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程[S].

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U446

：B

：1009-7716（2017）02-0092-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.02.027

2016-12-08

劉明（1990-），男，四川綿陽人，碩士研究生，從事橋梁工程檢測與加固研究工作。