兰州杨家湾吊桥静载实验中的主缆索力测试研究

刘 明，马国纲

（1.兰州交通大学土木工程学院，甘肃 兰州 730070；2.兰州市城市建设设计院，甘肃 兰州 730050）

兰州杨家湾吊桥静载实验中的主缆索力测试研究

刘 明1，马国纲2

（1.兰州交通大学土木工程学院，甘肃 兰州 730070；2.兰州市城市建设设计院，甘肃 兰州 730050）

桥梁静载试验是判断桥梁结构在荷载作用下是否满足其工作性能的重要手段，而主缆钢丝绳索力测试是桥梁静载试验的重要组成部分。现以兰州市杨家湾吊桥静载试验的实际案例为依托，阐述了静载试验中主缆索力测试的测设原理、测点布置方法、试验荷载设计原理。通过对实测结果与有限元计算值的对比分析，结果表明：在恒载及车辆荷载作用下，主缆钢丝绳索力小于设计容许值，可满足汽-10级的承载力要求。

静载试验；工作性能；索力测试；杨家湾吊桥

0 引言

随着国民经济的发展，交通运输量大幅度增长，行车密度及车辆载重越来越大，尤其是推行拖挂运输和集装箱运输后，重型车辆日益增多，现有相当一部分公路桥梁已满足不了使用要求，这是世界各国面临的严峻问题[1]。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[2]。为此，需对桥梁的使用状况、缺陷及损伤进行全面检查，明确缺陷和损伤的性质、部位、严重程度及发展趋势，以便分析、评价缺陷及损伤对桥梁性能和承载力的影响，为桥梁维护、加固或改造设计提供技术依据[3]。桥梁静载试验是一种直观评定桥梁承载力的方法，通过在桥梁上施加与设计荷载或使用荷载基本相当的荷载，测试桥梁结构的控制截面在各级试验荷载作用下的振动参数、挠度、应力等特性的变化，将测试结果与按相应荷载作用下的结构计算值及相关规定值做比较，从而评定桥梁结构的承载能力。主缆的索力测试是悬索桥静载试验中的重要组成部分，也是安全性评价的一项重要指标。

本文以兰州市城关区杨家湾吊桥静载试验的实际案例为依托，在静载试验中施加等效车辆荷载的情况下，通过分析信号采集分析仪采集的频谱，得到主缆钢丝绳的频率，计算出钢丝绳索力。通过分析索力测试值与理论值差值曲线来评定主缆钢丝绳索力是否满足汽-10级的承载力要求。

1 工程概况

兰州市青白石乡杨家湾吊桥建于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250m处，桥位两岸属黄河一阶台地，桥台为质地坚硬的花岗岩，桥位处河床顺直。杨家湾吊桥主跨为柔性吊桥，设计跨径为L=180m，矢高为15m，矢跨比为1/12，两侧主缆各由14根45钢丝绳组成。桥面净宽4.5m，两侧各有宽度为0.8m的人行道。桥梁设计荷载为一辆15t载重汽车和2.0kN/m2的人群荷载。横梁共计44根，采用40#普通工字钢，纵梁共计242根，沿横向均匀布置，共11道，分别由外缘24#工字钢和中间28#工字钢组成。纵梁下设置角钢斜撑。索塔采用钢筋混凝土框架结构，基础采用重力式片石混凝土。杨家湾吊桥总布置图如图1所示。

图1 杨家湾吊桥总布置图

2 实验内容、原理及方法

2.1 实验内容

根据杨家湾吊桥的结构及构造特点，依据有关规范及规程，进行静载试验。主要工作内容包括：

（1）主缆钢丝绳索力检测。

（2）吊杆内力检测。

（3）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。

（4）试验荷载作用下，构件局部承载力检测。

本文主要针对在全桥加载的情况下，进行主缆钢丝绳索力的测试。

2.2 测点布置

主缆钢丝绳索力测点布置在南岸上游锚室内。锚室主缆由14根钢丝绳组成，主缆在散索夹之后分为4层分别锚固，第一层2根，其余各层均为4根，主缆钢丝绳编号示意图如图2所示。现场采用动测法测试主缆钢丝绳索力。测试时，将INV9808加速度传感器分别固定于主缆钢丝绳上，通过人工激振，采用INV信号采集分析仪采集振动信号，通过频谱分析，得到钢丝绳的自振频率，依据频率与索力的关系，计算出实测索力，并与计算值进行对比，了解主缆钢丝绳的受力状况。

图2 主缆钢丝绳编号示意图

与竣工图纸的标注相对应，为方便现场检测，对全桥各部位构件数量进行统一编号，编号原则按如下方式编制。

(2) 尽管Q系统支护图表中，对不同质量围岩支护参数的考虑是有连续性的，但考虑实际应用的简化，不可能对所有的Q值设计针对性的支护参数，通常的做法是将围岩划分为五个支护等级，五个等级如何划分并不存在统一的标准，本文的划分方式可作为一种参考。

（1）吊杆编号。由北岸至南岸依次为1#～44#吊杆。

（2）主缆钢丝绳编号。自上而下依次如图2所示。

2.3 加载工况

2.3.1 试验荷载的确定原则

通过静载试验，可以检验桥梁结构的当前状况，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[4]。根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/TJ21—2011）[5]，为准确评定结构行为，静载试验效率ηq[6]应满足如下范围：

式中：ηq为静载试验荷载效率；Ss为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'为验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为按规范取用的冲击系数值。

2.3.2 理论计算

图3 全桥有限元模型

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0.304Hz＜1.5Hz，故冲击系数取μ=0.05。

2.3.3 试验荷载工况

索力测试加载方式采用汽-10级车辆荷载标准进行全桥加载。试验荷载由1辆重车+16辆主车组成，车辆参数见表1，试验荷载车辆加载布置图如图4所示。重型卡车后轴作用在22#～23#吊杆之间，车头朝向北岸，重型卡车与南岸侧相邻轻型卡车后轴间距为8m，其余车辆后轴间距为7.5m，沿桥中线加载。

表1 加载车辆参数

图4 车辆加载布置图

采用空间分析模型，确定等效试验荷载的布置方式，通过试验荷载作用下的内力值或位移值与设计值的对比，计算出在全桥加载时的试验荷载效率满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》的规定，即0.95≤ηq≤1.05，见表2。

表2 试验荷载效率系数

3 试验结果及分析

对主缆索力实测值与理论值进行对比分析。加载车辆到位后，用人工激振作为振源，采用INV信号采集分析仪收集振动信号，通过频谱分析，得到主缆钢丝绳的频率，依据频率与索力的关系计算出钢丝绳索力。全桥加载的情况下，南岸单根钢丝绳索力理论值802.8kN/14=57.3kN，选取南岸下游侧锚室主缆的14根钢丝绳进行测试，测试及分析结果见表3，测试值与理论值的差值曲线如图5所示。通过实测值与理论值的对比分析发现，主缆钢丝绳拉力分布不均匀，校验系数在0.40～1.33。除N-X-3、N-X-6、N-X-14主缆钢丝绳测试值比理论值偏大外，其余主缆钢丝绳索力测试值均小于理论值。主缆钢丝绳总的索力测试值（602.36kN）小于理论值（802.8kN），校验系数平均值为0.75。在恒载及车辆荷载作用下，主缆钢丝绳索力小于设计容许值，可满足汽-10级的承载力要求。

主缆钢丝绳索力测试的部分时程曲线及频谱曲线如图6～图9所示。

表3 全桥加载主缆钢丝绳索力测试结果 kN

图5 主缆钢丝绳索力测试值与理论值差值曲线

图6 N-X-2主缆钢丝绳索力测试时程曲线及频谱图

图7 N-X-5主缆钢丝绳索力测试时程曲线及频谱图

图8 N-X-7主缆钢丝绳索力测试时程曲线及频谱图

图9 N-X-13主缆钢丝绳索力测试时程曲线及频谱图

4 结语

（1）本文阐述了兰州市杨家湾吊桥静载试验中主缆索力测试的检测方法及过程，从测试及分析结果可见，主缆钢丝绳的拉力出现分布不均匀的现象。由主缆钢丝绳索力测试值与理论值差值曲线可知，部分主缆钢丝绳索力测试值比理论值偏大，但总数量小于10%。故在恒载及车辆荷载作用下，主缆钢丝绳索力小于设计容许值，可满足设计荷载汽-10级的承载力使用要求。

（2）在桥梁静载试验时，根据桥梁的结构特点及所处的地理位置情况，选用恰当的索力测试方案。杨家湾吊桥主缆钢丝绳索力虽然能满足静载试验要求，但在重车过桥情况下，主缆钢丝绳会出现受力不均匀的现象，车辆激振加大索力，因此应注意桥面通行车辆的限制性管理，严禁超设计荷载车辆通行。定期对桥梁健康状况进行监测，避免桥梁在使用中出现安全隐患。

[1]蒙云，卢波.桥梁加固与改造 [M].北京：人民交通出版社, 2007：1.

[2]索俊锋.兰州杨家湾吊桥静载试验中的挠度检测研究[J].城市道桥与防洪，2016,3(3)：150-154.

[3]吴建奇，郑晓，张婷婷.桥梁检测中的静载试验研究[J].铁道建筑，2011,42(3)：42-44.

[4]周安，杨庆印，郝成义.基于静载试验的桥梁结构性能评价[J].工程管理，2016,22(5)：695-697.

[5]JTG/TJ21—2011,公路桥梁承载能力检测评定规程[S].

[6]邓亚雄.小龙潭矿务局南盘江大桥静载试验检测[J].公路交通科技（应用技术版），2015,129(9)：145-147.

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：1009-7716（2017）02-0092-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.02.027

2016-12-08

刘明（1990-），男，四川绵阳人，硕士研究生，从事桥梁工程检测与加固研究工作。