景区人行索桥检测方法研究

2017-07-05黄学漾福建省建筑科学研究院福建省绿色建筑技术重点实验福州364000

福建交通科技 2017年3期

黄学漾（1.福建省建筑科学研究院;2.福建省绿色建筑技术重点实验，福州364000）

景区人行索桥检测方法研究

黄学漾1，2
（1.福建省建筑科学研究院;2.福建省绿色建筑技术重点实验，福州364000）

本文以某景区人行索桥为工程背景，通过现场勘察、有限元分析和静载试验分析了人行索桥的使用性能。研究结果表明：该人行索桥的基本传力路径与传统地锚式悬索桥传力路径完全不同。在不考虑人群振动舒适度和结构振动稳定情况下，按静力验算，当人群荷载达到0.380kN/m2时，桥面拉索达到承载能力极限状态。该桥抗扭刚度过低，在偏载作用下，桥梁无法正常使用，其结构性能不能满足正常使用要求。本文采用现场勘查和有限元计算及静载试验的方法对处理同类工程问题具有借鉴作用。

人行索桥有限元分析静载试验结构性能

1 引言

用缆索结构作为主要承重结构的人行索桥，由于其造价低，造型美观，施工周期短，在景区人行桥中得到了广泛的应用[1-3]。该类桥梁多用于穿越障碍、峡谷等，同时也会成为景区的主要景观。然而由于我国规范对这类桥梁并没有明确的要求[4]，多数桥梁在设计和施工方面都较为随意，缺乏严格的监管，存在着较多安全隐患。因此为确保桥梁的安全运营及游客的人生财产安全，对桥梁的安全性能进行检测就成为了当务之急。本文以某景区人行索桥作为工程背景，通过现场调查，承载能力计算及静载试验等方法对该桥的安全使用性能进行评定，可为其他同类缆索体系桥梁提供参考。

2 工程背景

某景区人行索桥，以缆索为主要受力构件，跨度218m，缺乏必要的设计资料及施工监管记录。其缆索体系包括跨桥塔的两条主缆，106对吊索以及六根桥面拉索，六根桥面拉索与两侧基础连接，缆索体系结构布置如图1所示。其中桥面拉索及主缆均为Φ46×37+FC钢丝绳，吊索为Φ6×19+FC钢丝绳。该桥桥面板有防腐木桥面板及钢化玻璃桥面板两种，通过钢横梁和小纵梁与拉索连接，主缆和桥面横梁通过吊杆连接，桥面板构造简图如图2所示。

图1 缆索体系结构布置图

图2 桥面板构造简图

3 桥梁布置现场勘察

通过现场勘查可知，基础与主缆及桥面拉索通过预埋件连接，由于该桥基础无地质勘查资料，在施工过程中，无质量监督和施工记录，通过现有的无损检测手段难以准确确定基础的土方量，也无法核查内部钢筋布设，锚杆规格布置、埋深、构造等隐蔽工程的施工质量情况。采用回弹法进行索塔及基础混凝土强度检测，检测结果表明，部分构件混凝土强度低于C25，不满足施工质量要求。

通过对缆索系统的现场勘查可知，该桥的主缆结构形式与典型地锚式悬索桥相似，主缆有两根，主缆缠绕于基础预埋件的横杆，通过10个绳卡固定，主缆与索塔通过索鞍连接，索鞍与主塔通过主塔预埋的钢筋焊接。主缆与吊索采用索夹连接。通过全站仪测量主缆部分测点的高程，以了解主缆的线形，测量可知，两侧主缆线形基本一致。主缆垂跨比为1/25，主缆中心距与主跨跨径比值为1/87。通过对吊索的现场勘查可知，在行人较少的情况下，大部分吊索均处于松弛状态，说明主缆未分担桥面板的恒载和活载，该桥整体结构的传力路径与典型地锚式悬索桥的传力路径完全不同。该桥桥面拉索共有六根，位于桥面钢横梁下部，通过扣件与横梁相连桥面拉索与基础预埋件连接，通过10个绳卡固定，桥面拉索垂跨比为1/30，桥面拉索如图3～4所示。由于吊索处于松弛状态，可以认为在桥面行人较少的情况下，六根桥面拉索单独承担桥面传来的恒载荷活载，该桥可以看作是一个由桥面拉索独立受力的索桥，其实际传力路径如图5所示。

通过对该桥缆索系统的现场勘查可知，该桥的主缆与桥面拉索钢丝绳均裸露在外，在主缆及桥面拉索钢丝绳与基础连接的端部仅涂防锈油脂，没有采用规范的防护措施.

桥面护栏由栏杆立柱和栏杆拉索组成，如图6所示。立柱与桥面横梁直接焊接，拉索共有10根，从立柱中穿过，由于拉索结构过柔，可以产生较大变形，拉索间距可达20cm以上，因此该桥桥面护栏结构存在较大安全隐患。

图3 桥面拉索构造示意图

图4 桥面拉索实景图

图5 工程背景人行桥实际传力路径

图6 栏杆构造图

4 桥面拉索钢丝绳承载能力验算

经检查，吊索目前均处于松弛状态。故认为，现状人行桥的主要受力构件为桥面的六根纵向拉索，而悬索主缆钢丝绳基本不参与受力，因此，对桥面拉索的承载能力进行验算。

4.1 计算假定及计算依据

《公路悬索桥设计规范》[5]只对主缆采用镀锌高强钢丝材料的结构计算方法进行了规定，未明确主缆采用钢丝绳的计算方法，因此本文在进行桥面拉索承载能力验算的时候套用《公路悬索桥设计规范》中骑跨式钢丝绳吊索的计算方法，如式（1）所示：

式中，Nd——轴向拉力设计值；

fk′——钢丝绳最小破断力；

f′dd——钢丝绳最小破断拉力设计值；

γR——吊索材料强度分项系数，骑跨式吊索取2.95。

其中：

式中，γ0——结构重要性系数，取1.1；

γG——永久作用分项系数，取1.2；

NG——自重及附加重力作用下钢丝绳拉力标准值；γQ——可变荷载分项系数，取1.4；

NQ——人群荷载作用下钢丝绳拉力标准值。

在计算时采用如下假定

（1）主缆及吊杆不参与工作，桥面的横梁、小纵梁、栏杆、钢化玻璃、防腐木的自重完全由桥面六根纵向拉索承担。

（2）恒载及人群荷载作用下，六根纵向拉索线形完全相同，即受力状况完全相同，不考虑横向分布。

4.2 计算模型

通过MIDAS-CIVIL软件建立拉索结构模型，不考虑悬索受力，拉索下吊杆用于施加横梁传递的内力，拉索两端固定约束，所建立的模型如图7所示。

在计算中首先通过拉索自重和附属自重以及主缆线形计算出自重及附属自重作用下主缆成桥状况的内力，进而在这个成桥状态下施加人群荷载，计算活载作用下拉索的内力。

图7 主缆有限元模型

4.3 计算结果

通过计算可知，自重及附属自重作用下，单根拉索的内力标准值为248.9kN。当桥面人群荷载达到0.380N/m2时，可变荷载作用下的内力标准值为73.38kN。

即不考虑人群振动舒适度和结构振动稳定情况下，按静力验算，当人群荷载达到0.380kN/m2时，桥面拉索达到承载能力极限状态。

5 静载试验

桥梁静力荷载试验，主要是通过测量桥梁结构在静力试验荷载作用下的变形，用以确定桥梁结构的实际工作状态与正常使用要求是否相符。它是检验桥梁结构受力特征的最直接和最有效的手段和方法。

5.1 试验工况

为了反映工程背景人行索桥的试验性能，根据上文的桥面拉索承载能力计算结果，在静载试验中共进行四个荷载工况，如表1所示。工况一考察的是桥梁在桥面拉索达到承载能力极限状态的竖向均布荷载作用下的结构性能是否满足使用要求，工况二至工况四考察的是在100人的等效荷载作用下，桥梁的使用性能，其中包括对称加载和偏载的工况。

表1 试验工况

5.2 测试结果

（1）工况一测试结果

图8为测试截面的位移测点布置图，图9和图10分别为1号测点侧与2号测点桥面线形随着荷载增加的变化值。图11为桥面跨中测点挠度的荷载-变形曲线。

如图9至图10所示，在各级荷载作用下，桥面线形各测点挠度分布呈现跨中大，越靠近支承点挠度越小的特点，符合结构的受力特性。当试验荷载达到满载加载量时，桥面跨中两侧挠度分别达到62.94cm和58.75cm，此时桥面跨中的倾斜度为1.63°。卸载之后，跨中测点的相对残余变形分别为5.89%和3.71%。

如图11所示，当施加荷载为一级到四级之间时，跨中测点挠度的荷载-变形曲线基本呈线性关系。当荷载达到满载时，荷载-变形曲线斜率变小，变形增长速度减慢，其原因为桥面拉索的竖向挠度达到一定限值后，吊杆绷紧，索桥的主缆开始参与受力，分担了一定的竖向荷载。

工况一检测结果表明，施加的荷载和跨中挠度基本呈线性关系，当挠度达到50cm以上后，结构的主缆开始分担一部分荷载，满载作用下，跨中挠度变形量较大，达到1/340，桥面倾斜度为1.63度。残余变形较小，构件仍然处于弹性工作状态。

（2）工况二、工况三及工况四测试结果

图12为工况二满载作用下挠度测点侧线形。如图所示，工况二满载时，桥面线形各测点挠度分布呈现跨中大，越靠近支承点挠度越小，且在离支承端最近处的测点桥面拱起的特点，此时桥面的纵向坡度较大。当试验荷载达到满载加载量时，桥面跨中测点53-1和53-2的位移分别达到68.33cm和66.10cm，。卸载之后，跨中测点的相对残余变形分别为-3.61%和0.92%。残余变形较小，说明构件仍然处于弹性工作状态。

工况三与工况四均未完成满载，其中工况三与工况四分别加载至等效荷载为40个成年人偏载和20个成年人偏载时，桥面跨中截面倾角过大，如图13所示，人在桥面已无法正常站立，桥梁进入危险状态，试验停止。

表2与表3分别为工况三及工况四测试结果汇总，在等效为小于50人的偏心荷载作用下，桥面跨中截面倾角过大，在此工况下桥梁完全不能正常使用。检测结果表明，在一侧偏载作用下，桥面产生较大倾角，该桥抗扭刚度较低，其结构性能不能满足正常使用要求。

通过桥梁静载试验可知，虽然该桥在荷载作用下其强度满足使用要求，但由于抗扭刚度过低，在偏载作用下，桥梁无法正常使用，因此，其结构性能不能满足正常使用要求。