代建波，呂 剛，張仁猛，粟海濤，韓嘉昕

(1.西安石油大學(xué)， 陜西 西安 710065； 2.陜西中立檢測鑒定有限公司， 陜西 西安 710077)

懸索橋結(jié)構(gòu)簡單，受力明確，景區(qū)采用人行玻璃索橋穿越峽谷，同時具有造型美觀，吸引游客的優(yōu)點[1-2]。我國目前還沒有專門的規(guī)范對這類橋梁的檢測、評估和驗收做出明確的要求，使得這類橋梁缺乏嚴(yán)格的監(jiān)管，可能存在著安全隱患[3-5]。因此，需要行之有效的檢測評估方法來確保此類橋梁的安全運行，以保障游客的生命財產(chǎn)安全。毛應(yīng)飛等[6]對人行索橋荷載試驗驗證進行了探索與研究，采用人工加載沙袋的簡易方式對已建成的人行索橋按照設(shè)計荷載進行試驗，利用全站儀對索橋跨中產(chǎn)生的垂度進行測量，在加載到設(shè)計荷載后實測跨中最大相對垂度與設(shè)計值進行比較，結(jié)果表明，橋梁承載能力滿足設(shè)計要求，結(jié)構(gòu)安全可靠。黃學(xué)漾[7]以某景區(qū)人行索橋為工程背景，通過現(xiàn)場勘察、有限元分析和靜載試驗分析了人行索橋的使用性能。結(jié)果表明人行索橋的基本傳力路徑與傳統(tǒng)地錨式懸索橋傳力路徑完全不同，該橋抗扭剛度過低，在偏載作用下，結(jié)構(gòu)性能不能滿足正常使用要求。李萬恒等[8]提出了三塔懸索橋荷載試驗的要點需增加中塔扭轉(zhuǎn)工況和最大不平衡纜力工況作為主要工況；提出了三塔懸索橋結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)常值的范圍。基于脈動試驗，測試了泰州長江大橋和馬鞍山長江大橋的自振特性，并利用行車試驗測試了兩座橋的沖擊系數(shù)。研究結(jié)果為三塔懸索橋荷載試驗的實施提供了參考，同時為三塔懸索橋力學(xué)性能的研究提供了較好的數(shù)據(jù)支撐。何旭輝等[9]對張家界大峽谷玻璃人行橋進行各工況作用下的模擬加載，并建立相應(yīng)的有限元模型計算，將試驗結(jié)果和計算結(jié)果進行對比，研究結(jié)果表明該橋具有足夠的剛度和安全儲備，為之后該類橋梁的設(shè)計和試驗評價指標(biāo)提供參考。

上述文獻主要依據(jù)試驗的方法對索橋的性能進行驗證和評估，未系統(tǒng)按照檢查、試驗、有限元分析和評估的方法對橋梁進行安全評估，理論分析與試驗驗證結(jié)合較少。本文基于現(xiàn)場檢查、檢測，采用有限元方法進行分析，并與靜、動力荷載試驗相結(jié)合，對該橋梁結(jié)構(gòu)性能進行試驗測試，并對其安全性能進行評估。

1 工程概況

某生態(tài)旅游區(qū)內(nèi)一座人行玻璃索橋，橋梁總長329.5 m，總寬2.7 m，采用三跨布置方案，主跨286.5 m，兩邊跨均為21.5 m，主跨矢量高14.8 m。主纜共2根，每根均由3根鋼芯鋼絲繩組成。主纜鞍座采用簡易式鞍座，底座尺寸為1.15 m×0.82 m，由高強螺栓錨固于塔頂橋面。主索為2根鋼絲繩，直徑均為42 mm，主梁采用縱橫梁格構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)體系，單根縱梁三跨一聯(lián)，縱梁與橫梁采用焊接連接。人行道板分為玻璃板和防腐木板兩種，縱向中間210 m范圍內(nèi)采用玻璃板橋面，全橋縱向每3 m設(shè)置一個標(biāo)準(zhǔn)段。索橋平立面示意圖如圖1、圖2所示，現(xiàn)狀如圖3所示。

圖1索橋平面示意圖

圖2索橋立面示意圖

橋梁荷載試驗前需對其結(jié)構(gòu)整體狀況進行表觀檢查，并對照設(shè)計文件等資料對其結(jié)構(gòu)進行核查，重點檢查有無造成安全隱患的結(jié)構(gòu)質(zhì)量缺陷并進行記錄，以便在荷載試驗和安全評估時能夠合理的對試驗現(xiàn)象進行分析[10]。

圖3索橋現(xiàn)狀圖

2 橋梁靜載試驗

橋梁進行靜載試驗的主要目的是通過靜力荷載的施加，檢測其各控制截面的受力和變形情況，并確定其工作狀態(tài)是否滿足設(shè)計要求[11-12]。

2.1 試驗荷載

該試驗懸索橋為人行橋，橋面寬度僅2 m，選用水箱進行加載。加載值根據(jù)式(1)等效換算而得[12]：

0.95≤ηq=Sstate/S(1+μ)≤1.05

(1)

式中：ηq為靜力試驗荷載效率；Sstate為某工況在試驗荷載作用下的最大效應(yīng)值；S為某試驗工況的最不利計算效應(yīng)值；μ為按規(guī)范取用的沖擊系數(shù)。

一般的靜載試驗，ηq值可采用0.95～1.05。其取值根據(jù)橋梁的調(diào)查、檢查、驗算資料是否齊全、完整來定[13]。

2.2 理論計算分析

(1) 橋梁為主跨長286.5 m的雙塔單跨懸索橋，矢跨比為1∶19.2，采用MIDAS/Civil有限元分析軟件進行模型的計算分析，如圖4所示。

圖4橋梁分析模型

(2) 根據(jù)設(shè)計圖紙及現(xiàn)場檢查，模型中主梁采用鋼結(jié)構(gòu)，由橫梁和縱梁組成，分別由兩片Φ22槽鋼及Φ16槽鋼焊接而成。橋面板中間210 m采用3.6 cm厚的鋼化玻璃，兩側(cè)其余部分采用5 cm厚木方鋪就。主纜采用雙索面布置，索面橫向間距2.4 m，每根主纜由3股Ф70的鋼絲繩組成，鋼絲繩彈性模量為1.2×105MPa。吊桿縱橋向間距為2.4 m，吊桿均采用中Ф20 mm鋼絲繩。

(3) 設(shè)計荷載作用下，主要構(gòu)件主纜內(nèi)力計算結(jié)果顯示，恒載作用下主纜內(nèi)力為4 292.4 kN，活載作用下主纜內(nèi)力為3 597.6 kN。

2.3 荷載工況

對索橋的主跨進行荷載試驗以考察橋梁的力學(xué)性能，并評定其承載能力。橋梁設(shè)計人群荷載效應(yīng)為0.35 kN/m2(滿足承載200人要求)，本次試驗擬加載的總重量按200 kN控制，大于200人總重，加載長度為90 m。采用水箱加載，水箱長度90 m，放水深度10 cm～12 cm。根據(jù)橋梁的特點，其控制內(nèi)力和變形如下：

工況1：跨中對稱加載，該工況作用下，測試中跨跨中截面橋面最大撓度、主塔變位、主纜索力、吊桿索力。

工況2：3/8偏載加載，主要目的考察橋梁在偏載情況下1/4、3/8跨截面橋面最大撓度、主塔變位、主纜索力、吊桿索力。

2.4 測點設(shè)置

本次靜載試驗的主要測試內(nèi)容及測點布置如圖5所示，主要有：橋面撓度：F2～F6右側(cè)，縱梁上粘貼反光片；主塔縱向變位F1；吊桿應(yīng)力：D1/D2左右側(cè)；跨中主纜索力T。

圖5測點布置圖

橋面撓度變形、主塔變位傾斜等采用全站儀檢測。吊桿索力和主纜索力采用粘貼表面應(yīng)變片的方式采集，輔以頻率索力儀校核。

2.5 加載分級

參考相關(guān)規(guī)范要求，本次試驗采用分級加載模式，具體分級標(biāo)準(zhǔn)為：試驗加載時，采用分級加載，分級測試的方法。90 m水箱縱向30 m一節(jié)，分為3節(jié)加載，每加滿一個水箱為1級加載，每一級為10 cm～12 cm水高。

2.6 試驗結(jié)果

(1) 表觀觀測結(jié)果。在整個荷載試驗過程中，橋梁由于結(jié)構(gòu)體系較柔，跨度較大，存在橋面向一側(cè)扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，表現(xiàn)在原吊桿與欄桿間距兩側(cè)較為對稱，加載后一側(cè)間距變小，甚至靠死，另一側(cè)間距張開加大5 cm～10 cm現(xiàn)象，相應(yīng)的一側(cè)水深6 cm～8 cm，另一側(cè)水深12 cm～14 cm。

(2) 撓度測試結(jié)果。各荷載工況下?lián)隙葴y試結(jié)果及主要測點撓度校驗系數(shù)見表1和表2，表中符號規(guī)定“-”表示向下?lián)希?”表示向上撓。

表中計算值系根據(jù)各荷載工況實際加載位置和荷載量進行計算得到，撓度校驗系數(shù)取各截面實際測試值均值與理論計算值比較得到。

撓度及相對殘余變形計算方法如式(2)所示：

(2)

式中：fp和ft分別為殘余變形和實測變形。

表1 工況1撓度測試結(jié)果及檢驗系數(shù)

由表1可知：工況1跨中截面實測最大撓度為下?lián)?35.1 cm；主要測點校驗系數(shù)位于0.50～0.84區(qū)間；最大豎向撓跨比L/816；測點撓度的相對殘余變形最大值為8.8%。

表2 工況2撓度測試結(jié)果及檢驗系數(shù)

由表2可知：工況2跨中截面實測最大撓度為下?lián)?37.6 cm；主要測點校驗系數(shù)位于0.50～0.72區(qū)間；最大豎向撓跨比L/762；測點撓度的相對殘余變形最大值為8.7%。

2.7 索力測試結(jié)果

各荷載工況下橋梁索力測試結(jié)果、索力校驗系數(shù)及相對殘余見表3和表4，表中“-”表示索力減少，“+”表示索力增加。此處索力測試結(jié)果是綜合應(yīng)變和索頻率后的計算結(jié)果，吊桿和主纜彈性模量均取值為1.2×105MPa。

表3 工況1索力增量及校驗系數(shù)

由表3可知：工況1吊桿索力增量最大測試值為9.5 kN，對應(yīng)應(yīng)力增加30.3 MPa。吊索索力校驗系數(shù)位于0.70～0.89區(qū)間，左側(cè)索力比右側(cè)索力大。工況1吊索索力相對殘余最大值為6.7%。主纜索力增加2 565 kN，對應(yīng)應(yīng)力增加222.3 MPa。

表4 工況2索力增量及校驗系數(shù)

由表4可知：工況2吊桿索力增量最大測試值為8.5 kN，對應(yīng)應(yīng)力增加27.1 MPa。吊索索力校驗系數(shù)位于0.64～0.83區(qū)間。工況1吊索索力相對殘余最大值為7.1%。主纜索力增加2 532 kN，對應(yīng)應(yīng)力增加219.4 MPa。

3 橋梁動載試驗

3.1 橋梁動載試驗內(nèi)容

橋梁的動力荷載試驗的目的是研究橋梁結(jié)構(gòu)的振動特性。這些測試結(jié)果數(shù)據(jù)是判斷橋梁結(jié)構(gòu)承載能力的重要指標(biāo)。橋跨結(jié)構(gòu)某振型的振動周期與結(jié)構(gòu)的剛度有著確定的對應(yīng)關(guān)系，因而可以通過振動頻率判斷橋梁結(jié)構(gòu)的剛度[14-15]。

3.2 自振特性理論分析

采用MIDAS/Civil有限元分析軟件對該橋梁建立模型進行計算分析，并與脈動測試結(jié)果進行比較，對其動力性能進行分析和評估，經(jīng)計算分析得到的該橋梁結(jié)構(gòu)一階振型如圖6所示。

圖6結(jié)構(gòu)一階振型圖

3.3 橋梁自振特性測試

本次懸索橋自振特性測試采用脈動法。主要對通過在橋上布置的傳感器，對該橋梁結(jié)構(gòu)在環(huán)境激勵下振動時程進行記錄和信號處理，并對其自振頻率、振型和阻尼比等動力特性進行分析。

(1) 時域波形及功率譜曲線。對該橋進行脈動試驗，分別在該橋L/4布置豎向傳感器，全橋面共布置2個豎向傳感器。實測本橋時域波形如圖7所示。

圖7 1#傳感器時域波形

(2) 自振頻率測試結(jié)果。由于本橋較柔，在風(fēng)荷載作用下本橋即產(chǎn)生有感振動，但振感并不強烈。脈動測試及分析表明，本橋豎向一階振動周期1.55 s，對應(yīng)基頻為0.645 Hz。根據(jù)有限元軟件分析得到的該橋梁結(jié)構(gòu)一階振型圖可知該橋基頻為0.523 Hz。實測基頻/理論基頻=1.23，滿足規(guī)范要求，數(shù)值計算結(jié)果與理論計算結(jié)果相符。

4 橋梁安全性能評估

通過橋梁的表觀檢查結(jié)果，靜、動力荷載試驗結(jié)果和有限元分析結(jié)果，可以對橋梁的承載能力和結(jié)構(gòu)安全性能做出合理評估。

4.1 表觀觀測結(jié)果分析

該橋梁表觀檢測未發(fā)現(xiàn)病害。荷載試驗過程中結(jié)構(gòu)未發(fā)生異響，結(jié)構(gòu)由于跨徑較大，結(jié)構(gòu)柔度較大，加載過程中，橋面向一側(cè)扭轉(zhuǎn)，該側(cè)撓度及吊索索力等均比另一側(cè)大，但未超過規(guī)范要求。因此，其整體穩(wěn)定性符合使用要求，但使用過程中應(yīng)盡量避免人群單側(cè)集中。

4.2 靜載試驗結(jié)果分析

(1) 結(jié)構(gòu)剛度。所測試兩工況最大下?lián)?37.6 cm，最大豎向撓跨比L/762。各測試截面的撓度校驗系數(shù)在0.50～0.84，相對殘余變形最大值為8.8%。

(2) 結(jié)構(gòu)強度。所測試兩工況吊桿索力最大增加9.5 kN，對應(yīng)應(yīng)力增加30.3 MPa；主纜索力增加2 565 kN，對應(yīng)應(yīng)力增加222.3 MPa；吊索索力校驗系數(shù)在0.64～0.89之間，卸載殘余在3.2%～7.1%；主纜索力校驗系數(shù)0.75～0.86，卸載殘余4.0%～5.1%。

以上測試數(shù)據(jù)表明橋梁結(jié)構(gòu)剛度和強度滿足規(guī)范和設(shè)計要求，結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。

4.3 動載試驗結(jié)果分析

本橋?qū)崪y豎向基頻大于理論計算基頻0.523 Hz，這說明該橋的實際動力剛度大于規(guī)范值，該橋動力性能較好。

4.4 安全性能評估

經(jīng)過對試驗橋梁的靜動力性能的系統(tǒng)測試，獲得了結(jié)構(gòu)整體受力性能的測試數(shù)據(jù)，經(jīng)對相關(guān)測試結(jié)果的分析可知，該人行玻璃索橋在設(shè)計荷載作用下其安全性能滿足使用要求，橋梁使用過程中應(yīng)盡量避免人群單側(cè)集中，并采取措施對橋面扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象進行校正。

5 結(jié) 論

(1) 通過對該景區(qū)人行索橋的經(jīng)動力性能系統(tǒng)測試可知其整體穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)剛度、結(jié)構(gòu)強度和動力性能均滿足設(shè)計要求，工作性能正常。

(2) 通過工程案例較為系統(tǒng)的介紹了此類人行玻璃索橋的荷載試驗和安全評估過程，可為同類工程問題提供一定的借鑒作用。

(3) 景區(qū)人行索橋的荷載試驗和安全評估工作是結(jié)橋梁安全使用的前提和依據(jù)，只有通過科學(xué)的試驗和評估，確定橋梁的各項性能，才能消除運行的安全隱患。