悬索人行玻璃吊桥荷载试验与结构性能评估

何增平

(福州市建设工程质量监督站 福建福州 350007)

0 引言

悬索桥是由主塔、主缆、吊索、桥面系等组成的结构体系，由于其造价低，造型美观，施工周期短，因此在景区人行桥中得到了广泛的应用[1]。特别是随着我国旅游行业的发展，悬索人行玻璃吊桥被广泛运用于景区之中，成为一道重要风景线。但长期以来我国规范对该类桥梁却没有明确的要求[2]，施工尚无完整规范和成熟工艺，施工质量把控不严格，对成桥后施工质量的反馈和受力性能的分析较少，桥梁质量存在极大的安全隐患[3-5]。因此准确评估该类型桥梁的结构性能、受力状态就显得十分必要。

本文以某景区悬索吊桥为工程背景，通过表观检查、有限元模拟分析，静、动载试验相结合的方式对桥梁的受力特性和结构性能进行系统评估，并对后期运营提出建议，可为同类型桥梁的设计、施工、检测、管养工作提供借鉴。

1 工程背景

某玻璃吊桥工程结构形式为高架索桥，设计主跨为133.0m，桥宽2.0m，桥面结构组合为1.1m樟子松防腐木+124.8m 3层钢化玻璃+1.1m樟子松防腐木。根据桥面与山谷的相对高程，吊桥主跨为133.0m，桥面实际长度127.0m，跨径组合为：1.1m+124.8m+1.1m。该设计采用上主索受力，矢高分别为13m，主桥成桥后中跨垂跨比：1/10。桥面净宽度2.0m，横梁总宽度2.8m。两侧设置防护栏杆，防护栏杆材料为镀锌管+烤粉，栏杆采用工厂预制现场拼接方式。

设计荷载：1.0kN/m2。具体桥型布置图如图1所示。

图1 桥型布置图(单位：cm)

2 桥梁表观状况检查

对桥梁的表观状况检查，可以较全面地了解桥梁成桥后的结构初始状态和结构缺陷，可为静动载试验方案设计与检测实施提供依据。表观状态的检查内容主要包括：

(1)桥梁线形测量，包括桥面标高、主索标高；

(2)主要桥梁构件、部件的尺寸调查；

(3)桥梁索塔与锚碇台、缆索系统、桥道系的表面缺损情况及变形情况检查。

3 桥梁静、动载试验

3.1 有限元模型建立

人行索桥上部结构采用悬索结构，主索是主要承重构件，索股的两端通过绳卡锚固与锚碇预埋拉环的方式锚固于锚碇基础之上。桥梁在成桥空载状态下处于结构自重平衡状态，又称为索桥的初始平衡状态，主索的初装垂度大小及桥面的自重严重影响着主索的内力。因此，荷载试验前应对主索线形进行测量，测试出主索实际垂度，进而对桥梁线形进行精确模拟，计算出主索的初始内力。

现根据设计图纸及现场检查，全桥共设26根主缆，主缆横向间距2.60m，主缆采用预制平行钢丝索股法(PPWS)制作。主缆由13股通长索股组成，每根预制索股由相互平行的13根直径21.5mm镀锌高强钢丝组成，钢丝标准强度为1670MPa。利用Midas civil有限元软件对悬索吊桥进行模拟。将实测的主索垂度和相关参数导入有限元分析软件，该桥梁模型包含375单元，216个节点，其中主索和吊杆采用桁架单元模拟，主塔和梁采用梁单元模拟，有限元模型如图2所示。

图2 有限元模型

3.2 桥梁静载试验

桥梁静载试验主要目的，即通过静力荷载的施加，通过挠度测试数值与计算数据的比较，判断桥梁整体刚度，并确定其工作状态是否满足设计要求[6-7]。根据静力荷载试验有关规定要求，确定荷载试验工况为跨中最大垂度，试验荷载为全桥1.0kN/m2均布荷载，采用124个200L水桶按均布方式加载。

本次试验采用全站仪进行挠度测试，测点布置在桥跨八等分点附近东、西侧主索夹处及对应桥面处，桥梁累计布设21个竖向挠度测点。具体挠度测点及水桶加载布置如图3～图4所示。

图3 挠度测点布置图

图4 1/2跨水桶加载平面布置图(单位：m)

静力荷载试验工况共分为3级加载，各级加载中东、西侧主缆及桥面各竖向主要挠度测点的实测值及理论值如表1所示。由实测结果可知，在静力荷载试验中，跨中截面实测最大挠度为下挠-26.9cm；主要测点校验系数位于0.51～0.84区间，符合规程(JTG/T J21-2011)规定的不大于1.00的限值要求。相对残余变位最大为19.74%，低于规程(JTG/T J21-2011)规定的20.00%的限值要求。

在各级试验荷载作用下，主索及桥面各测试截面挠度变化理论值与实测值对比如图5～图10所示。

表1 主索及桥面主要测点挠度 mm

图5 一级荷载理论与实测主缆挠度比较

图6 二级荷载理论与实测主缆挠度比较

图7 满载荷载理论与实测主缆挠度比较

图8 一级荷载理论与实测桥面挠度比较

图9 二级荷载理论与实测桥面挠度比较

图10 满载荷载理论与实测桥面挠度比较

3.3 桥梁动载试验

采用环境随机振动法测定桥跨结构，由于桥址处风荷载、地脉动等随机荷载激振而引起的桥梁结构微幅振动响应，所以可用来分析桥跨结构的自振特性。桥跨结构某振型的振动周期与结构的刚度有着确定的对应关系，因而可以通过振动频率判断桥梁结构的刚度。该桥基于建立的有限元模型，分别在桥面的八分点处布置了7个加速度传感器，分别测量桥梁的竖、横向自振频率。由实测的加速度信号经过实验模态分析可知，该桥上部结构实测竖、横向自振频率均大于理论计算值，对应的实测频率与理论频率比值分别为1.04～1.08、1.01～1.03，实测振型与理论计算振型基本一致，表明结构竖、横向实际刚度与理论刚度基本吻合，但结构竖向基频为0.352Hz，远小于规范规定的人行桥不小于3Hz的要求。

桥梁自振频率(表2)，振型(表3)。

表2 自振频率 Hz

表3 振型汇总

续表3

4 桥梁结构性能评估与建议

4.1 外观检测结果

(1)经现场勘察，索塔及锚碇表面未见明显蜂窝、麻面、破损等外观质量缺损。

(2)主缆及吊索表观未见明显缺损，钢丝绳除镀锌保护层，索鞍处主缆及吊索下端局部涂抹少量黄油，未见其它明显防护；锚碇处主缆套筒与主缆交接处无防护措施，锚头内易积水；西北侧索鞍锚板处存在积水现象。

(3)桥道系各部件工作状况基本良好，桥面板以夹胶钢化玻璃为主，未见开裂现象，桥面栏杆状况良好。

4.2 静载试验结果分析

在静力荷载试验中，跨中截面实测最大挠度为下挠-26.9cm；主要测点校验系数位于0.51～0.84区间，相对残余变位最大为19.74%。以上数据表明，该结构刚度满足规范和设计要求，结构处于弹性工作状态。

4.3 动载试验结果分析

该桥上部结构实测竖、横向自振频率均大于理论计算值，实测振型与理论计算振型基本一致，表明该结构竖、横向实际刚度与理论刚度基本吻合，但结构基频远小于规范规定的人行桥不小于3Hz的要求，在人行、风荷载等外界动荷载作用下容易产生较大振动。

4.4 日常运营建议

(1)应加强桥梁行人通行管理，行人宜沿桥面中线缓慢通行，严禁行人聚集在桥面单侧，严禁大量行人同步行走。在大风、雨天、冰雪等恶劣天气条件下，桥梁应禁止通行。

(2)索鞍处宜增设防护罩，防止雨水浸蚀和灰尘沉积，定期更换黄油，加强保养和巡查。

(3)锚碇台套筒与主缆连接处应密封防水处理，套筒内及锚头应保持干燥，不得潮湿和积水，锚头宜增设防护罩并定期更换黄油，加强保养。

(4)吊索应进行定期检查，对晃动明显的吊索应及时进行调整。

(5)应在索塔、锚碇台基础及桥梁跨中部位设置永久性位移观测点。

(6)该桥梁结构体系受力复杂，构件及连接结点众多，在桥梁运营期间，使用单位应建立严格的日常巡查制度和应急机制，加强桥梁各构件的日常巡查，及时发现问题并采取应对措施，确保桥梁运营安全可靠。