对基于监测数据的悬索桥加固技术及其应用分析

于英杰 陈虹尹

1.西华大学建筑与土木工程学院 四川 成都 610039；

2.重庆交通大学土木工程学院 重庆 400074

引言

近年来，我国交通运输领域基础设施建设事业处于蓬勃发展阶段，截至2021年11月中标“公路桥”项目数量达到1263个，同比上年提高75%。然而在桥梁建设数量逐渐增多的同时，桥梁结构安全日渐成为行业及社会领域关注的热点问题，基于监测数据进行桥梁结构状况分析、及时查明安全隐患，辅助完成桥梁结构加固与改造方案的编制，对于桥梁安全运营与交通基建事业发展具有重要现实意义。

1 悬索桥加固体系模型建立

1.1 项目概况

以某悬索桥改造加固项目为例，该桥设计跨度为120m，矢高为12m，矢跨比为1/10，采用双向4车道形式设计。桥上布设2根主缆，主缆跨径布置为32.5m+120m+20.5m形式，单根主缆由4股符合GB 8918-2006《重要用途钢丝绳》标准的钢丝绳组成；主梁为钢桁梁，与门型钢筋混凝土主塔组成空间钢桁架结构；桥面板为钢筋混凝土槽形板；锚碇选用重力锚、隧道锚两种形式。为解决原悬索桥主缆下挠、承载能力不足的问题，该项目经由多种设计方案比较后，最终确定选用一种斜拉索加固方案，取1根斜拉索将其一端锚固在地面，另一端经由塔顶转向装置与加劲梁底进行锚固，使该斜拉索可在转向装置内部沿垂直方向滑动，并照此锚固形式共设置4根斜拉索形成组合加固体系，以两两组合形式在加劲梁处形成对拉结构。

1.2 有限元模型

现有关于悬索桥加固、桥梁安全监测领域的研究成果已初具规模，其中对于桥梁吊拉组合体系加固技术的研究可追溯至1854年，桥梁建造工程师罗勃林因一座悬索桥受风害影响而垮塌这一事件，创新提出一种加劲桁架+斜拉索的组合结构体系，用于弥补悬索桥结构抗弯强度差的缺陷[1]。在此基础上，国外先后有多座桥梁结构均使用上述吊拉组合结构，运用上述吊拉体系提高桥梁结构的抗振性能，并结合实际测量结果发现由斜拉索承担恒载的情况下，桥梁主缆曲率小于跨中部位，由此证实斜拉索结构在加固桥梁中发挥的重要作用[2]。当前，国内在借鉴上述桥梁加固方案的基础上，已先后于南盘江大桥等工程项目中做出成功尝试，根据结构计算结果获取斜拉索的张力数值，但考虑到在桥梁结构施工及后续投入运营后可能受温度、技术水平及主缆下挠等病害影响，导致实际结果与理论计算存在一定出入，加之不同桥梁结构的受力特征相对复杂，如何有效获取悬索桥的真实受力状态，并检验斜拉索加固体系实际张拉力的加固效果，成为当前亟待解决的问题[3]。

根据上述研究背景与实际监测环节存在的问题，在该项目中整合悬索桥现有结构参数，采用Midas软件有限元分析软件建立悬索桥计算模型，选用拉杆单元模拟主缆、吊索，选用梁单元分别模拟主塔、加劲梁、桥面板纵梁以及横梁，并利用板单元模拟桥面板，将整座桥梁共划分为22684个单元、15352个节点。在边界条件设计上，针对主缆锚固部位、塔底部均采用固结方式，对散索鞍处设置斜撑，塔顶加劲梁为单跨简支结构、沿桥向设有水平约束。

1.3 斜拉索张力计算分析

依据悬索桥结构特征，采用悬链线法进行斜拉索张力计算[4]。以处于张拉状态下的斜拉索为例，将其沿水平、垂直方向长度分别记为l和c，H为斜拉索沿水平方向上形成的分力，单根索重量为q，将水平张力与线密度的比值设为常数α，水平、垂直两个方向上的长度与水平方向上两个分力的比值设为常数β，则根据积分方程可分别计算出悬链线的长度S、弹性伸长量△S以及无应力索长S0，其计算公式分别为：

在斜拉索索力计算上，将斜拉索视为X1、X2两根索组合形式，将X1索一端、X2索一端分别设为点A和点C，两索连接交点设为点B，其中X1沿水平方向长度为l1、垂直方向长度为c1、水平方向上分力为H1，X2沿水平方向长度为l2、垂直方向长度为c2、水平方向上分力为H2，且已知H1=H2，无应力索长为两根斜拉索相加之和，将线膨胀系数设为a、温度设为t，则在环境温度影响下斜拉索的无应力索长相关性计算公式为：

通过整合上述计算结果可知，当在悬索桥上完成斜拉索的张拉处理后，根据现有索力计算结果与两根索上3个点位坐标值、无应力索长，即可计算出环境温度、两索连接部位竖向位移两因素变动后斜拉索索力的变化量，运用迭代法完成数值求解。

2 加固体系荷载工况及现场测量结果检验

2.1 现场位移监测结果

采用荷载试验对原悬索桥的承载能力进行测试，综合考虑环境温度、斜拉索锚固部位的位移量以及桥塔位移三项指标建立荷载工况，利用大桥健康监测系统获取具体监测数据[5]。其中位移量的影响因素包含以下3种：

2.1.1 主缆温度位移，在桥塔底部设置温度传感器、确定初始状态下的温度标准值，已知桥体上设置刚性吊杆，吊杆沿垂直方向的变形量可忽略不计，因此选择加劲梁顶面标高作为监测面，分别测量不同环境温度下的顶面标高数值。从中可以观察到，伴随环境温度变化，相邻吊点处主缆承受的相对竖向位移呈现出不均匀变化趋势，其影响原因在于温度场出现复杂变化、影响桥梁内力，且设置在不同方向主缆的相对竖向位移仍存在一定差别，其原因在于两侧主缆矢高存在一定差值，由此影响到主缆的内力分配结果。

2.1.2 主缆荷载位移，在车辆通行过程中将对桥面板施加不同荷载，在车辆经过测点时因加载、卸载的频繁变化增加局部变形量，分别模拟两种不同工况下各取一测点进行主缆相对竖向位移、主梁挠度数据的分析，从中可以观察到，伴随桥面板上经过车辆重量、数量的递增，主缆相对竖向位移呈现出由不均匀转为均匀的特征，其主要影响因素为桥体内力分布特征，且主缆上、下游侧的相对竖向位移均呈反向变化；在荷载工况下，主梁最大竖向位移监测结果为-1.4893，与现场试验测量结果-1.4680之间的相对误差为1.45%，且该位移量小于规范限值，因此可忽略将其不计。

2.1.3 桥塔位移，由桥塔顶部的索鞍采用固结形式施工，当跨中荷载变化时将使主缆产生一个不平衡水平力，使桥塔沿竖向发生位移，在此过程中主缆将对塔顶传递一个竖向力，使桥塔底部出现附加弯矩，加之在车辆施加荷载的影响下，将沿下游方向使桥塔上、下游分别产生0.9～1.8cm范围内的位移量，但由于该位移量相对数值较小，可将其对于斜拉索索力变化的影响忽略不计。

2.2 加固体系荷载工况分析

综合上述位移实测结果，以斜拉索、加劲梁的锚固部位为基准，分别计算出不同工况条件下锚固部位的竖向位移量。其中在升温15℃工况下，两侧锚固部位上游位移量分别为-16.8mm和-38.1mm、下游位移量为-39.7mm和-53.4mm；在降温25℃工况下，两侧锚固部位上游位移量分别为18.5mm和21.4mm、下游位移量为24.5mm和25.6mm；在车辆对桥面板施加荷载量增大的工况下，两侧锚固部位上游位移量分别为-256.7mm和-287.6mm、下游位移量为-255.7mm和-292.4mm；在升温15℃、车辆荷载工况下，两侧锚固部位上游位移量分别为-265.4mm和-324.5mm、下游位移量为-298.4mm和-350.1mm；在降温25℃、车辆荷载工况下，两侧锚固部位上游位移量分别为-228.9mm和-264.7mm、下游位移量为-230.4m和-321.6mm。

根据锚固部位的竖向位移测试结果可知，在升温、降温位移数值均相对于15℃，车辆荷载位移均相对于0时，锚固部位上游位移为正、下游位移为负。结合实际桥梁投入使用中的工况条件，还需在测试分析中预留一定的安全储备值，保证为斜拉索与主缆受力体系、斜拉索与加劲梁受力关系变化情况下的竖向位移分析提供参考价值。在此基础上，根据斜拉索对于加劲量形成内力的预测分析结果可知，在车辆施加荷载作用下，对于斜拉索产生的竖向支撑力最小为112.1kN，相对于车辆荷载占比约为78%。结合上文中建立的悬索桥仿真模型，模拟最不利工况条件下斜拉索对于加劲梁施加内力的影响情况可知，当斜拉索卸载车辆荷载达到70%时，能够使悬索桥主缆的安全系数同比提升0.6，并且由此形成的不平衡水平力并不会影响到加劲梁，最终得出斜拉索的张拉力设计值为60kN。

2.3 加固后的测量结果检验

考虑到上述仿真分析结果与实测数据之间具有较高的相似度，能够为斜拉索加固体系的张拉温度、索力大小计算提供数值参考，并且在获取悬索桥加固后的实际测量结果与仿真分析结果进行比较，伴随环境温度的升高，斜拉索对加劲梁锚固部位提供的竖向力呈现出逐渐减小趋势，同时上下游对于斜拉索产生的不平衡水平力也呈现出同步减小趋势，符合仿真分析结果，证明选用斜拉索加固体系的温度敏感性较低；当环境温度为25℃时，斜拉索对加劲梁提供的竖向力约为100kN，达到车辆施加荷载作用下的70%，证明在此工况下悬索桥主缆的安全储备较大，能够有效抵抗不利因素对整桥结构产生的影响。

待将上述斜拉索体系应用于悬索桥加固工程中后，引入GPS系统在悬索桥主缆、桥塔、加劲梁等部位分别布设测站与具体测量点位，依据20Hz的采样频率进行各测点数据的实时采集，并沿垂直方向将实时动态测量精度控制在±20mm+1ppm RMS，即将测量基础误差设为20mm，当测点与GPS基站的间距每增加1km，则测量精度将下降1mm，实现动态监测与实时预警功能。分五阶进行频率识别结果的比较，从中可以看出，现场监测数据的频率识别结果与荷载试验结果一致性较强，说明监测点位布置合理，且悬索桥动力特征较好。

3 结束语

通过结合某悬索桥加固项目的实际施工要求，建立一种基于监测数据的悬索桥斜拉索加固体系，根据斜拉索张拉力计算公式与温度、荷载作用下对于斜拉索张拉力和斜拉索索力的影响情况，将其与实际测量结果进行比较，证明该斜拉索加固体系设计方案的技术可靠性，能够有效实现复杂工况下悬索桥的结构加固与安全稳定运行需求，对于同类桥梁加固及改造施工具备良好示范经验。