蘭州楊家灣吊橋靜載試驗中的撓度檢測研究

索俊鋒

（1.西北民族大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730124；2.蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

蘭州楊家灣吊橋靜載試驗中的撓度檢測研究

索俊鋒1,2

（1.西北民族大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730124；2.蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

橋梁靜載試驗是評價橋梁質(zhì)量和驗證橋梁承載能力是否滿足設(shè)計要求的重要手段，而撓度測量是橋梁檢測的重要組成部分?，F(xiàn)以蘭州市楊家灣吊橋靜載試驗檢測的實際案例為依托，闡述了靜載試驗中位移觀測點的布設(shè)、施測方法、試驗荷載設(shè)計原理。通過對實驗數(shù)據(jù)、撓度曲線、位移變化分析，結(jié)果表明：在試驗荷載作用下變形無異常，經(jīng)維修加固后承載能力滿足設(shè)計荷載通過的使用要求，橋面更加平順，上下游對稱性較好。

靜載試驗；撓度檢測；位移；線形測量；楊家灣吊橋

0　引言

橋梁在長期使用過程中，由于環(huán)境侵蝕、材料老化和日益加重的交通量及重車、超重車過橋數(shù)量的不斷增加[1]，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)損傷和功能退化，從而造成抵抗自然災(zāi)害、正常環(huán)境下的使用能力下降，極端情況下導(dǎo)致災(zāi)難事故發(fā)生，造成重大的人員傷亡和財產(chǎn)損失[2]。為了保障橋梁結(jié)構(gòu)在營運期間的承載能力、耐久性和安全性，對已建成和在建大型橋梁結(jié)構(gòu)進行健康監(jiān)測顯得非常重要，目前已成為一個熱門的研究領(lǐng)域[3]。橋梁靜載試驗即測定靜荷載作用下指定位置的工作狀態(tài)和使用能力，從橋梁結(jié)構(gòu)中提取能反映結(jié)構(gòu)特性的參數(shù)，對橋梁的設(shè)計、施工、運營管理進行科學(xué)的評估，為橋梁的安全使用提供可靠的依據(jù)[4]，它是評價橋梁質(zhì)量和驗證橋梁承載能力是否滿足設(shè)計要求的重要手段[5,6]。通過校驗系數(shù)來說明結(jié)構(gòu)潛在的承載力，由相對殘余變形反應(yīng)結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)。當(dāng)通過橋梁調(diào)查和檢算分析尚不足以評定橋梁承載力時，可采用荷載試驗測定橋梁的實際工作狀況，結(jié)合橋梁調(diào)查、檢測與檢算來評定橋梁的實際承載能力[7]。橋梁撓度測量是橋梁檢測的重要組成部分，是橋梁安全性評價的一項重要指標(biāo)[8]。

本文以蘭州市城關(guān)區(qū)楊家灣吊橋靜載試驗檢測的實際案例為依托,闡述根據(jù)橋梁設(shè)計荷載分析計算出橋梁實際承載能力,采用等效荷載對橋梁進行靜力加載試驗。通過測試橋梁在實際荷載作用下的響應(yīng),以豎向位移測量結(jié)果為視角，評定橋梁實際承載能力是否滿足設(shè)計要求的試驗檢測。

1　工程概況

楊家灣吊橋建于1987年，地處蘭州市桑園峽，橋軸線位于包蘭鐵路黃河大橋上游250 m處，如圖1所示。主跨為柔性吊橋，原設(shè)計跨徑為180 m，矢高為15 m，矢跨比為1/12，兩側(cè)主索各由14-7×19 φ45 mm鋼絲繩組成，橋面跨中設(shè)置預(yù)拱度0.92 m，其余各點按拋物線設(shè)計。兩側(cè)主索中距5.00 m，吊桿順橋向間距4.0 m，橫橋向間距5.0 m。索鞍、套筒、索夾均采用45#鋼。索塔采用塔高為17.5 m的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。為加強橋面系統(tǒng)的橫向穩(wěn)定性，縱梁下設(shè)置角鋼斜撐風(fēng)構(gòu)，橋跨上、下游設(shè)置抗風(fēng)纜。原設(shè)計荷載為允許1 veh15 t載重汽車+人群荷載200 kg/m2（考慮人群寬度2.0 m）通過。

楊家灣吊橋由于年久失修，加之車流量大，橋面出現(xiàn)不同程度破損。受蘭州市城關(guān)區(qū)公路管理段委托，2014年12月6日起對該橋進行表觀檢查，并在此基礎(chǔ)上對該橋進行維修加固設(shè)計。2015年8月-11月，對橋梁進行維修加固，2015年11月19日對加固后橋梁進行檢測評估，測試內(nèi)容包括應(yīng)變檢測和撓度檢測。

圖1　楊家灣吊橋平面圖

2　試驗內(nèi)容、原理及方法

2.1試驗內(nèi)容及檢測方法

靜載試驗通過對橋梁結(jié)構(gòu)控制部位的內(nèi)力（應(yīng)力）、變形（位移）的觀測、記錄及分析，完成結(jié)構(gòu)的如下檢測內(nèi)容：

（1）橋梁結(jié)構(gòu)受力性能檢測；

（2）在試驗荷載作用下檢測典型截面處橋面板及縱、橫梁的應(yīng)力，吊桿、橋塔應(yīng)力；

（3）橋梁結(jié)構(gòu)的剛度檢測；

（4）在試驗荷載作用下檢測各控制截面處的撓度。

該項研究主要針對不同工況進行撓度檢測。

2.2位移測點布置

2.2.1測點位置布設(shè)原則

測點位置的布設(shè)，應(yīng)根據(jù)試驗的目的和橋梁的結(jié)構(gòu)形式來確定，總體上應(yīng)遵循以下三個原則：

本文擬通過介紹生物質(zhì)顆粒燃料及其特性，綜述國內(nèi)外生物質(zhì)顆粒燃料成型機發(fā)展現(xiàn)狀，對比分析國內(nèi)環(huán)模顆粒成型機和平模顆粒成型機的性能和應(yīng)用，探討國內(nèi)外生物質(zhì)顆粒燃料成型技術(shù)及設(shè)備存在的問題，并提出我國生物質(zhì)顆粒燃料設(shè)備及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方向。

（1）測點應(yīng)布設(shè)在便于分析計算和具有代表性的關(guān)鍵部位（如最大撓度處）。

（2）便于觀測。根據(jù)控制點位置，在盡量少設(shè)測站原則下布設(shè)點位，既方便觀測，又能提高精度。

（3）多余觀測，即布設(shè)校核性測點，目的在于驗證觀測結(jié)果的可靠性，充分體現(xiàn)某些系統(tǒng)誤差的影響，便于剔除粗差，有利于測試結(jié)果的分析。

2.2.2觀測方案的制定

在橋梁靜載試驗中，測定的量一般均為相對變化值，即某種荷載狀態(tài)下觀測點的測定值與初始值的差值。因此，測試平面控制網(wǎng)的建立宜采用獨立的橋軸線坐標(biāo)系統(tǒng),這樣觀測量的變化值即可直接反映出測點位置縱橋向和順橋向的位移量。網(wǎng)形布設(shè)時結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)形式和橋址地形情況綜合分析,優(yōu)化設(shè)計。測試時高程基準(zhǔn)點布設(shè)應(yīng)考慮便于使用，且河岸兩側(cè)的高程基準(zhǔn)點聯(lián)測要有足夠的精度[4]。

根據(jù)楊家灣吊橋地形和自身條件，采用獨立坐標(biāo)系布設(shè)測量控制點D01、D02、D03，如圖1所示。平面坐標(biāo)采用徠卡TPS1202型全站儀進行閉合導(dǎo)線施測，導(dǎo)線全長相對閉合差為1/287420，滿足橋梁控制網(wǎng)限差的要求；高程控制網(wǎng)采用天寶DINI03型數(shù)字水準(zhǔn)儀配合銦瓦水準(zhǔn)尺以D01為起算點施測閉合水準(zhǔn)網(wǎng)，高差閉合差為1.083 mm，滿足三等水準(zhǔn)測量的要求。2014年12月6日進行控制點和橋梁線形的初次觀測，經(jīng)加固后，該項試驗對三維控制網(wǎng)進行復(fù)測，經(jīng)分析比對，控制點沒有發(fā)生沉降和位移，為使控制基準(zhǔn)的統(tǒng)一，采用首次觀測值。

該項試驗采用全站儀結(jié)合精密水準(zhǔn)儀的方式完成各加載工況下的撓度測試。將全站儀架設(shè)在D01點，分別用D02、D03點加以校核，采用三維坐標(biāo)測量模式測量索塔撓度觀測點的位移。將兩臺天寶DINI03型數(shù)字水準(zhǔn)儀分別假設(shè)于南岸下游和北岸上游，采用“水準(zhǔn)線路測量”+“中間點測量”模式，每觀測一次工況，都形成一條附合或閉合水準(zhǔn)路線，每一測站都會有校核和檢驗，如果超限，就重新觀測。測點布置見表1所列和圖2所示。

表1　全橋豎向位移測點布置一覽表

圖2　測點布置圖

2.3.1試驗荷載確定原則

靜載試驗是檢驗橋梁結(jié)構(gòu)的當(dāng)前狀態(tài)、分析橋梁既有缺陷（病害）對結(jié)構(gòu)承載能力和耐久性的影響、評估結(jié)構(gòu)的安全性、檢驗橋梁的使用性能、推斷橋梁通行能力的有效手段。根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）[9]，為準(zhǔn)確評定結(jié)構(gòu)行為，靜載試驗效率ηq[5]應(yīng)滿足如下范圍：

式中：ηq表示靜載試驗荷載效率；SS表示靜力試驗荷載作用下，某一加載試驗項目對應(yīng)的加載控制截面內(nèi)力、應(yīng)力或變位的最大計算效應(yīng)值；S'表示檢算荷載產(chǎn)生的同一加載控制截面內(nèi)力、應(yīng)力或變位的最不利效應(yīng)計算值；μ表示按規(guī)范取用的沖擊系數(shù)值。

2.3.2理論計算

采用Midas Civil建立全橋有限元模型，全橋由1 584個單元組成，其中索單元182個、梁單元1 402個；南北兩岸主纜及橋塔邊界條件均為固結(jié)，主梁邊界條件為簡支。有限元空間模型見圖3所示。

橋面二期荷載以均布荷載的形式施加于縱梁之上，索夾、螺栓等重量以集中力的形式施加于結(jié)構(gòu)實際位置。通過對全橋進行特征值分析，求得橋梁的豎向一階頻率為0.305 Hz<1.5 Hz，沖擊系數(shù)μ=0.05。

圖3　全橋有限元模型

2.3.3試驗荷載工況

按照設(shè)計荷載和試驗荷載在控制截面處產(chǎn)生的內(nèi)力或變形反應(yīng)等效的原則，確定試驗荷載的加載工況。

工況一、二：全橋加載。實驗荷載由16 veh輕卡車和1 veh重貨車組成，參數(shù)見表2所列，重車作用在跨中位置，車頭向北岸。

工況三：跨中加載，單車15 t+設(shè)計人群荷載（2.5 kN/m2），以跨中撓度為控制參數(shù)。試驗荷載由8 veh輕卡車和1 veh重貨車組成，參數(shù)見表2所列，試驗荷載加載布置情況見圖4所示，重車后軸作用在跨中位置，車頭方向北岸。

表2　試驗車輛參數(shù)表

圖4　工況三加載布置圖

工況四：3L/4加載，單車15 t+設(shè)計人群荷載（2.5 kN/m2），以3L/4截面撓度為控制參數(shù)。試驗荷載由8 veh輕卡車和1 veh重貨車組成，參數(shù)見表2所列，試驗荷載加載布置情況見圖5所示，重車后軸作用在33#吊桿位置，車頭方向南岸。

圖5　工況四加載布置圖

控制截面試驗荷載效率計算結(jié)果見表3所列。

表3　試驗荷載效率計算結(jié)果一覽表

3　試驗結(jié)果及分析

（1）線形測量。加載實驗前，首先用全站儀自由設(shè)站法對吊橋線形進行觀測，然后將數(shù)據(jù)根據(jù)軸向坐標(biāo)系進行轉(zhuǎn)換[10]，生成上、下游的立面數(shù)據(jù)，通過疊加分析加固前后兩期數(shù)據(jù)變化情況。圖6為上游南岸半幅主索和橋面加固前后位移變化圖，主索豎向位移最大為0.171 4 m，橋面豎向位移最大為0.120 4 m。下游主索和橋面加固前后位移變化與上游趨于一致，主索豎向位移最大為0.170 6 m，橋面豎向位移最大為0.120 1 m。加固后橋面和主索在豎向上都出現(xiàn)下移，但橋面在豎向仍呈微拱形，拱高出現(xiàn)在L/2處，為0.469 m。

圖6　上游主索和橋面加固前后位移變化示意圖

（2）不同工況下觀測點的豎向位移。靜態(tài)加載試驗設(shè)計四種不同工況測量豎向位移。不同工況下與加載前高程數(shù)據(jù)比較分析結(jié)果見表4所列，上、下游豎向撓度曲線見圖7、圖8所示。經(jīng)比較可知，工況一、二加卸載前后圖形豎向位移變化基本一致，最大位移出現(xiàn)在橋中L/2處，分別達到0.497 m和0.510 m，卸載后橋面得到了及時恢復(fù)；工況三與工況一、二，經(jīng)比較可知，工況三圖形變化幅度要大于工況一、二，原因在于工況一、二采用17 veh車加載，車位幾乎覆蓋了整個橋面，其受力變化比較均勻，而工況三的9 veh車主要集中在橋中L/2處，使得橋中部分明顯下移，在L/8和7L/8處橋面隆升，但是總體趨勢上與工況一、二保持一致；工況四最大受力點為橋梁3L/4處，上游沉降值達到最大值0.689 m，下游達到0.736 m，隆升最大值出現(xiàn)在L/4處，上下游分別為0.403 m和0.429 m；卸載后橋梁都恢復(fù)較好。

（3）不同工況下點位橋梁軸線方向位移變化。在對觀測數(shù)據(jù)粗差進行剔除后，上、下游位移各點位變化趨勢基本一致，如圖9、圖10所示。上、下游位移最大值分別出現(xiàn)在3L/4、5L/8處，達到-0.047 m、-0.017 m，均出現(xiàn)在工況二卸載時，說明加載前后對橋梁軸向位移影響較大，應(yīng)對這兩處吊桿周圍進行再次加固。索塔隨不同工況荷載軸向方向做振幅在1 cm范圍內(nèi)擺動。上游橋面0-3L/8比較穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)較大的波動。

表4不同工況測點豎向位移比較表（單位：m）

圖7　上游不同工況下?lián)隙惹€圖

圖8　下游不同工況下?lián)隙惹€圖

圖9　上游不同工況下軸向位移曲線圖

圖10　下游不同工況下軸向位移曲線圖

4　結(jié)論及建議

（1）本文闡述了蘭州市楊家灣吊橋靜載實驗的設(shè)計方法和過程，并根據(jù)不同工況下豎向位移數(shù)據(jù)加以分析，結(jié)果表明，楊家灣吊橋在試驗荷載作用下變形無異常。經(jīng)維修加固后承載能力滿足設(shè)計荷載等級為：15 t載重汽車+人群荷載2.5 kN/m2（考慮人群寬度2.0 m）通過的使用要求，表明橋梁總體性能達到加固設(shè)計要求，施工控制較好。比較兩期橋梁線形觀測數(shù)據(jù)可知，維修加固后，主索和橋面中點高程變化最大，上、下游的主索和橋面高程變化值分別為-0.1714和-0.1204、-0.1706和-0. 1201，橋面更加平順，上下游對稱性較好，兩側(cè)吊桿基本處于鉛垂?fàn)顟B(tài)。

（2）在橋梁靜載試驗時，根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)形式和橋址地形情況，因地制宜，選用適合于該橋的觀測方案。在選用觀測方法時，優(yōu)先考慮快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的現(xiàn)代先進儀器和簡單易行的觀測方法，既重視精度又要強調(diào)速度。測點布設(shè)宜少而精，點位盡可能布設(shè)在工程重點部位和變形敏感區(qū)。

（3）楊家灣吊橋結(jié)構(gòu)的整體靜力剛度雖然能滿足要求，但在重車過橋情況下，跨中和L/4點主索和橋面動態(tài)變化幅度較大，大橋有被車輛激發(fā)產(chǎn)生加大振動的可能，因此應(yīng)該加強過橋車輛的管理，對大橋的通行條件進行限制，允許小型車輛單車道且沿中間通行，并在吊橋北岸和南岸分別進行限寬、限高、限載通行。定期對橋梁進行檢測養(yǎng)護可以及時掌握橋梁病害情況，并對橋梁實際承載能力做出評定，根據(jù)檢測結(jié)果分析病害原因，為橋梁進一步加固設(shè)計提供依據(jù)。

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U446

A

1009-7716（2016）03-0150-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.03.044

2015-12-04

甘肅省高等學(xué)校科研項目（2015B-003）

索俊鋒(1976-)，男，陜西丹鳳人，博士，副教授，從事工程測量、橋梁檢測、“3S”應(yīng)用的教學(xué)及研究工作。