兰州杨家湾吊桥静载试验中的挠度检测研究

索俊锋

（1.西北民族大学土木工程学院，甘肃 兰州 730124；2.兰州大学资源环境学院，甘肃 兰州 730000）

兰州杨家湾吊桥静载试验中的挠度检测研究

索俊锋1,2

（1.西北民族大学土木工程学院，甘肃 兰州 730124；2.兰州大学资源环境学院，甘肃 兰州 730000）

桥梁静载试验是评价桥梁质量和验证桥梁承载能力是否满足设计要求的重要手段，而挠度测量是桥梁检测的重要组成部分。现以兰州市杨家湾吊桥静载试验检测的实际案例为依托，阐述了静载试验中位移观测点的布设、施测方法、试验荷载设计原理。通过对实验数据、挠度曲线、位移变化分析，结果表明：在试验荷载作用下变形无异常，经维修加固后承载能力满足设计荷载通过的使用要求，桥面更加平顺，上下游对称性较好。

静载试验；挠度检测；位移；线形测量；杨家湾吊桥

0　引言

桥梁在长期使用过程中，由于环境侵蚀、材料老化和日益加重的交通量及重车、超重车过桥数量的不断增加[1]，导致桥梁结构损伤和功能退化，从而造成抵抗自然灾害、正常环境下的使用能力下降，极端情况下导致灾难事故发生，造成重大的人员伤亡和财产损失[2]。为了保障桥梁结构在营运期间的承载能力、耐久性和安全性，对已建成和在建大型桥梁结构进行健康监测显得非常重要，目前已成为一个热门的研究领域[3]。桥梁静载试验即测定静荷载作用下指定位置的工作状态和使用能力，从桥梁结构中提取能反映结构特性的参数，对桥梁的设计、施工、运营管理进行科学的评估，为桥梁的安全使用提供可靠的依据[4]，它是评价桥梁质量和验证桥梁承载能力是否满足设计要求的重要手段[5,6]。通过校验系数来说明结构潜在的承载力，由相对残余变形反应结构的工作状态。当通过桥梁调查和检算分析尚不足以评定桥梁承载力时，可采用荷载试验测定桥梁的实际工作状况，结合桥梁调查、检测与检算来评定桥梁的实际承载能力[7]。桥梁挠度测量是桥梁检测的重要组成部分，是桥梁安全性评价的一项重要指标[8]。

本文以兰州市城关区杨家湾吊桥静载试验检测的实际案例为依托,阐述根据桥梁设计荷载分析计算出桥梁实际承载能力,采用等效荷载对桥梁进行静力加载试验。通过测试桥梁在实际荷载作用下的响应,以竖向位移测量结果为视角，评定桥梁实际承载能力是否满足设计要求的试验检测。

1　工程概况

杨家湾吊桥建于1987年，地处兰州市桑园峡，桥轴线位于包兰铁路黄河大桥上游250 m处，如图1所示。主跨为柔性吊桥，原设计跨径为180 m，矢高为15 m，矢跨比为1/12，两侧主索各由14-7×19 φ45 mm钢丝绳组成，桥面跨中设置预拱度0.92 m，其余各点按抛物线设计。两侧主索中距5.00 m，吊杆顺桥向间距4.0 m，横桥向间距5.0 m。索鞍、套筒、索夹均采用45#钢。索塔采用塔高为17.5 m的钢筋混凝土框架结构。为加强桥面系统的横向稳定性，纵梁下设置角钢斜撑风构，桥跨上、下游设置抗风缆。原设计荷载为允许1 veh15 t载重汽车+人群荷载200 kg/m2（考虑人群宽度2.0 m）通过。

杨家湾吊桥由于年久失修，加之车流量大，桥面出现不同程度破损。受兰州市城关区公路管理段委托，2014年12月6日起对该桥进行表观检查，并在此基础上对该桥进行维修加固设计。2015年8月-11月，对桥梁进行维修加固，2015年11月19日对加固后桥梁进行检测评估，测试内容包括应变检测和挠度检测。

图1　杨家湾吊桥平面图

2　试验内容、原理及方法

2.1试验内容及检测方法

静载试验通过对桥梁结构控制部位的内力（应力）、变形（位移）的观测、记录及分析，完成结构的如下检测内容：

（1）桥梁结构受力性能检测；

（2）在试验荷载作用下检测典型截面处桥面板及纵、横梁的应力，吊杆、桥塔应力；

（3）桥梁结构的刚度检测；

（4）在试验荷载作用下检测各控制截面处的挠度。

该项研究主要针对不同工况进行挠度检测。

2.2位移测点布置

2.2.1测点位置布设原则

测点位置的布设，应根据试验的目的和桥梁的结构形式来确定，总体上应遵循以下三个原则：

本文拟通过介绍生物质颗粒燃料及其特性，综述国内外生物质颗粒燃料成型机发展现状，对比分析国内环模颗粒成型机和平模颗粒成型机的性能和应用，探讨国内外生物质颗粒燃料成型技术及设备存在的问题，并提出我国生物质颗粒燃料设备及产业化发展方向。

（1）测点应布设在便于分析计算和具有代表性的关键部位（如最大挠度处）。

（2）便于观测。根据控制点位置，在尽量少设测站原则下布设点位，既方便观测，又能提高精度。

（3）多余观测，即布设校核性测点，目的在于验证观测结果的可靠性，充分体现某些系统误差的影响，便于剔除粗差，有利于测试结果的分析。

2.2.2观测方案的制定

在桥梁静载试验中，测定的量一般均为相对变化值，即某种荷载状态下观测点的测定值与初始值的差值。因此，测试平面控制网的建立宜采用独立的桥轴线坐标系统,这样观测量的变化值即可直接反映出测点位置纵桥向和顺桥向的位移量。网形布设时结合桥梁结构形式和桥址地形情况综合分析,优化设计。测试时高程基准点布设应考虑便于使用，且河岸两侧的高程基准点联测要有足够的精度[4]。

根据杨家湾吊桥地形和自身条件，采用独立坐标系布设测量控制点D01、D02、D03，如图1所示。平面坐标采用徕卡TPS1202型全站仪进行闭合导线施测，导线全长相对闭合差为1/287420，满足桥梁控制网限差的要求；高程控制网采用天宝DINI03型数字水准仪配合铟瓦水准尺以D01为起算点施测闭合水准网，高差闭合差为1.083 mm，满足三等水准测量的要求。2014年12月6日进行控制点和桥梁线形的初次观测，经加固后，该项试验对三维控制网进行复测，经分析比对，控制点没有发生沉降和位移，为使控制基准的统一，采用首次观测值。

该项试验采用全站仪结合精密水准仪的方式完成各加载工况下的挠度测试。将全站仪架设在D01点，分别用D02、D03点加以校核，采用三维坐标测量模式测量索塔挠度观测点的位移。将两台天宝DINI03型数字水准仪分别假设于南岸下游和北岸上游，采用“水准线路测量”+“中间点测量”模式，每观测一次工况，都形成一条附合或闭合水准路线，每一测站都会有校核和检验，如果超限，就重新观测。测点布置见表1所列和图2所示。

表1　全桥竖向位移测点布置一览表

图2　测点布置图

2.3.1试验荷载确定原则

静载试验是检验桥梁结构的当前状态、分析桥梁既有缺陷（病害）对结构承载能力和耐久性的影响、评估结构的安全性、检验桥梁的使用性能、推断桥梁通行能力的有效手段。根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21—2011）[9]，为准确评定结构行为，静载试验效率ηq[5]应满足如下范围：

式中：ηq表示静载试验荷载效率；SS表示静力试验荷载作用下，某一加载试验项目对应的加载控制截面内力、应力或变位的最大计算效应值；S'表示检算荷载产生的同一加载控制截面内力、应力或变位的最不利效应计算值；μ表示按规范取用的冲击系数值。

2.3.2理论计算

采用Midas Civil建立全桥有限元模型，全桥由1 584个单元组成，其中索单元182个、梁单元1 402个；南北两岸主缆及桥塔边界条件均为固结，主梁边界条件为简支。有限元空间模型见图3所示。

桥面二期荷载以均布荷载的形式施加于纵梁之上，索夹、螺栓等重量以集中力的形式施加于结构实际位置。通过对全桥进行特征值分析，求得桥梁的竖向一阶频率为0.305 Hz<1.5 Hz，冲击系数μ=0.05。

图3　全桥有限元模型

2.3.3试验荷载工况

按照设计荷载和试验荷载在控制截面处产生的内力或变形反应等效的原则，确定试验荷载的加载工况。

工况一、二：全桥加载。实验荷载由16 veh轻卡车和1 veh重货车组成，参数见表2所列，重车作用在跨中位置，车头向北岸。

工况三：跨中加载，单车15 t+设计人群荷载（2.5 kN/m2），以跨中挠度为控制参数。试验荷载由8 veh轻卡车和1 veh重货车组成，参数见表2所列，试验荷载加载布置情况见图4所示，重车后轴作用在跨中位置，车头方向北岸。

表2　试验车辆参数表

图4　工况三加载布置图

工况四：3L/4加载，单车15 t+设计人群荷载（2.5 kN/m2），以3L/4截面挠度为控制参数。试验荷载由8 veh轻卡车和1 veh重货车组成，参数见表2所列，试验荷载加载布置情况见图5所示，重车后轴作用在33#吊杆位置，车头方向南岸。

图5　工况四加载布置图

控制截面试验荷载效率计算结果见表3所列。

表3　试验荷载效率计算结果一览表

3　试验结果及分析

（1）线形测量。加载实验前，首先用全站仪自由设站法对吊桥线形进行观测，然后将数据根据轴向坐标系进行转换[10]，生成上、下游的立面数据，通过叠加分析加固前后两期数据变化情况。图6为上游南岸半幅主索和桥面加固前后位移变化图，主索竖向位移最大为0.171 4 m，桥面竖向位移最大为0.120 4 m。下游主索和桥面加固前后位移变化与上游趋于一致，主索竖向位移最大为0.170 6 m，桥面竖向位移最大为0.120 1 m。加固后桥面和主索在竖向上都出现下移，但桥面在竖向仍呈微拱形，拱高出现在L/2处，为0.469 m。

图6　上游主索和桥面加固前后位移变化示意图

（2）不同工况下观测点的竖向位移。静态加载试验设计四种不同工况测量竖向位移。不同工况下与加载前高程数据比较分析结果见表4所列，上、下游竖向挠度曲线见图7、图8所示。经比较可知，工况一、二加卸载前后图形竖向位移变化基本一致，最大位移出现在桥中L/2处，分别达到0.497 m和0.510 m，卸载后桥面得到了及时恢复；工况三与工况一、二，经比较可知，工况三图形变化幅度要大于工况一、二，原因在于工况一、二采用17 veh车加载，车位几乎覆盖了整个桥面，其受力变化比较均匀，而工况三的9 veh车主要集中在桥中L/2处，使得桥中部分明显下移，在L/8和7L/8处桥面隆升，但是总体趋势上与工况一、二保持一致；工况四最大受力点为桥梁3L/4处，上游沉降值达到最大值0.689 m，下游达到0.736 m，隆升最大值出现在L/4处，上下游分别为0.403 m和0.429 m；卸载后桥梁都恢复较好。

（3）不同工况下点位桥梁轴线方向位移变化。在对观测数据粗差进行剔除后，上、下游位移各点位变化趋势基本一致，如图9、图10所示。上、下游位移最大值分别出现在3L/4、5L/8处，达到-0.047 m、-0.017 m，均出现在工况二卸载时，说明加载前后对桥梁轴向位移影响较大，应对这两处吊杆周围进行再次加固。索塔随不同工况荷载轴向方向做振幅在1 cm范围内摆动。上游桥面0-3L/8比较稳定，没有出现较大的波动。

表4不同工况测点竖向位移比较表（单位：m）

图7　上游不同工况下挠度曲线图

图8　下游不同工况下挠度曲线图

图9　上游不同工况下轴向位移曲线图

图10　下游不同工况下轴向位移曲线图

4　结论及建议

（1）本文阐述了兰州市杨家湾吊桥静载实验的设计方法和过程，并根据不同工况下竖向位移数据加以分析，结果表明，杨家湾吊桥在试验荷载作用下变形无异常。经维修加固后承载能力满足设计荷载等级为：15 t载重汽车+人群荷载2.5 kN/m2（考虑人群宽度2.0 m）通过的使用要求，表明桥梁总体性能达到加固设计要求，施工控制较好。比较两期桥梁线形观测数据可知，维修加固后，主索和桥面中点高程变化最大，上、下游的主索和桥面高程变化值分别为-0.1714和-0.1204、-0.1706和-0. 1201，桥面更加平顺，上下游对称性较好，两侧吊杆基本处于铅垂状态。

（2）在桥梁静载试验时，根据桥梁结构形式和桥址地形情况，因地制宜，选用适合于该桥的观测方案。在选用观测方法时，优先考虑快速、准确、稳定的现代先进仪器和简单易行的观测方法，既重视精度又要强调速度。测点布设宜少而精，点位尽可能布设在工程重点部位和变形敏感区。

（3）杨家湾吊桥结构的整体静力刚度虽然能满足要求，但在重车过桥情况下，跨中和L/4点主索和桥面动态变化幅度较大，大桥有被车辆激发产生加大振动的可能，因此应该加强过桥车辆的管理，对大桥的通行条件进行限制，允许小型车辆单车道且沿中间通行，并在吊桥北岸和南岸分别进行限宽、限高、限载通行。定期对桥梁进行检测养护可以及时掌握桥梁病害情况，并对桥梁实际承载能力做出评定，根据检测结果分析病害原因，为桥梁进一步加固设计提供依据。

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U446

A

1009-7716（2016）03-0150-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.03.044

2015-12-04

甘肃省高等学校科研项目（2015B-003）

索俊锋(1976-)，男，陕西丹凤人，博士，副教授，从事工程测量、桥梁检测、“3S”应用的教学及研究工作。