大跨度人行懸索橋靜動(dòng)力性能評(píng)價(jià)

江志遠(yuǎn)

(青島市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，山東青島 266102)

大跨度人行懸索橋靜動(dòng)力性能評(píng)價(jià)

江志遠(yuǎn)

(青島市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，山東青島 266102)

對(duì)某單跨175 m大跨度人行懸索橋進(jìn)行線形實(shí)測(cè)，并對(duì)實(shí)測(cè)線形與設(shè)計(jì)線形進(jìn)行誤差分析?；趯?shí)測(cè)線形建立修正有限元模型，確定靜力試驗(yàn)工況及加載方式，對(duì)結(jié)構(gòu)靜力性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。同時(shí)，根據(jù)依托工程的實(shí)際情況，建立動(dòng)力分析模型，擬定單人跨中激振及人群過(guò)橋激振2種情況評(píng)價(jià)行人過(guò)橋的舒適度。通過(guò)靜力試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):各控制截面主纜實(shí)際變形規(guī)律與理論一致，跨中最大垂度較理論值小，其他控制點(diǎn)垂度與理論計(jì)算較為接近;針對(duì)行人過(guò)橋時(shí)的豎向舒適度進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)單人激振和人群過(guò)橋激振下跨中加速度響應(yīng)均滿足要求。

大跨度懸索橋;有限元模型;結(jié)構(gòu)靜力性能;人行橋

本文以某實(shí)體工程為例，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及靜動(dòng)載試驗(yàn)［3］，進(jìn)行大跨度人行懸索橋靜動(dòng)力性能評(píng)價(jià)研究。

1 工程概況

依托工程中的人行懸索橋位于高山峽谷地段，河谷斷面呈“V”字型，兩岸地勢(shì)陡峭，山巖裸露，峽谷相對(duì)高差在200～350 m。該橋?yàn)閱慰缡綉宜鳂?，由主纜及拉索、懸吊系、橋面系、風(fēng)纜繩、索鞍、塔架、橋臺(tái)、地錨8部分組成。單跨跨徑為175 m，主纜橫向間距為4 m，橋面凈寬2．5 m，矢跨比為1/10。橋梁中間由橫梁聯(lián)接，吊桿橫梁間距為3 m;橋面系由縱梁、橋面板及欄桿組成;縱梁坐落在桁架橫梁上，共8根。橋面板為8 cm厚木板，欄桿為鋼欄桿;主纜共2束，分別由36 mm的6×19W+IWR鋼絲繩組成;全橋共57組吊索，主纜在橋跨中懸吊吊索及桁架，塔架頂端支撐在索鞍上，地錨處用拉纜套筒與地錨螺桿連接;塔架總高13 m，橋臺(tái)為混凝土重力式橋臺(tái)，地錨亦為重力式，如圖1所示。

2 建立有限元模型

大跨度人行懸索橋的主纜是其主要承重構(gòu)件，成橋時(shí)的主纜線形由主纜的實(shí)際垂度、跨徑及成橋時(shí)的橋面系自重決定;由于纜索結(jié)構(gòu)存在較大的材料、幾何非線性，主纜的成橋線形往往與設(shè)計(jì)線形存在一定偏差，因此需對(duì)橋梁模型進(jìn)行修正［4-5］，使靜動(dòng)力分析更接近結(jié)構(gòu)的真實(shí)狀態(tài)。主纜上下游實(shí)測(cè)標(biāo)高與理論標(biāo)高誤差如圖2所示。

圖2 主纜上下游實(shí)測(cè)標(biāo)高與理論標(biāo)高偏差

由圖2可知，理論與測(cè)量結(jié)果相差均在±2．5 cm以內(nèi)。由于橋梁跨度大，橋面柔性較大，橋上橫風(fēng)等對(duì)實(shí)測(cè)線形均有較大影響，可認(rèn)為線形偏差在合理的范圍以內(nèi)，橋梁線形正常。采用有限元結(jié)構(gòu)分析軟件MIDAS/CIVIL進(jìn)行空間分析計(jì)算，建立修正有限元模型，如圖3所示，全橋共1712個(gè)節(jié)點(diǎn)，3281個(gè)單元。

3 靜力性能評(píng)價(jià)

根據(jù)靜載試驗(yàn)相關(guān)規(guī)范，懸索橋靜力特性描述主要指標(biāo)包括主纜跨中垂度、吊桿索力、主纜張力增量及索塔的偏位。本橋?yàn)槿诵袘宜鳂?，活載所占荷載比例較小，因此主纜及吊桿力受活載產(chǎn)生的增量并不大;主纜一側(cè)為隧道錨，另一側(cè)主塔剛度非常大，活載

圖3 修正有限元模型

下塔頂位移不足1 mm，并且主纜為結(jié)構(gòu)的主要承重構(gòu)件，因此將主纜作為靜力性能試驗(yàn)的主要對(duì)象，以主纜垂度作為靜力性能評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)［6-7］。

確定主纜垂度工況有效加載范圍如圖4所示。根據(jù)設(shè)計(jì)荷載大小確定靜力荷載試驗(yàn)的加載量，經(jīng)

計(jì)算主纜最大垂度靜載試驗(yàn)需均勻加載1.75沙袋，加載長(zhǎng)度為12 m，橫向加載寬度為2.1 m，如圖5所示。本次試驗(yàn)分三級(jí)加載，一級(jí)加載0．5 tt二級(jí)加載 1．2 t，三級(jí)加載 1．75 t，各級(jí)試驗(yàn)加載效率如表1所示。

圖4 有效加載范圍

圖5 詳細(xì)布載

表1 各級(jí)試驗(yàn)加載效率

主纜垂度靜力試驗(yàn)旨在對(duì)主纜在設(shè)計(jì)活荷載下的理論垂度與實(shí)際垂度進(jìn)行對(duì)比，以此評(píng)價(jià)主纜的實(shí)際工作性能，因此本文以主纜八分點(diǎn)、四分點(diǎn)及跨中截面垂度作為控制指標(biāo)。由圖5可知，試驗(yàn)加載過(guò)程中，主纜跨中附近區(qū)域產(chǎn)生較大的下?lián)?。其中，跨中主纜垂度最大為134 mm;橋頭到四分點(diǎn)間主纜變形是向上的，最大上撓為48.5 mm;主纜四分點(diǎn)附近變形均較小，因此在布置測(cè)點(diǎn)時(shí)應(yīng)充分考慮主纜的變形規(guī)律，合理布置測(cè)點(diǎn)。

主纜靜載試驗(yàn)過(guò)程中每級(jí)加載狀態(tài)重復(fù)2次觀測(cè)。三級(jí)加載狀態(tài)下主纜控制截面最大垂度對(duì)比如圖6所示。由圖6可知，各控制截面主纜實(shí)際變形規(guī)律與理論一致，跨中最大垂度較理論值小，其他控制點(diǎn)垂度與理論計(jì)算較為接近。主纜三級(jí)加載靜力試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2(表中L代表跨長(zhǎng))。由表2可知，各控制截面主纜垂度校驗(yàn)系數(shù)在0.855～0.946，均小于1，且最大相對(duì)殘余變形為5.39%;因此，主纜的實(shí)際工作性能與設(shè)計(jì)基本一致。

4 動(dòng)力舒適性評(píng)價(jià)

行人過(guò)橋的動(dòng)力舒適性問(wèn)題在大跨度人行懸索橋上顯得尤為突出，主要是由于人行懸索橋跨度較

表2 主纜三級(jí)加載靜力試驗(yàn)(撓度)結(jié)果

圖6 主纜靜載試驗(yàn)理論變形

圖7 主纜最大垂度對(duì)比

大，橋面系相比其他橋型較為輕盈，結(jié)構(gòu)豎向一階頻率較低，易受到激振影響。橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)形式較多，本文根據(jù)工程實(shí)際情況，主要針對(duì)行人過(guò)橋時(shí)的豎向舒適度進(jìn)行研究［8-13］;在靜力有限元模型基礎(chǔ)上，建立動(dòng)力分析模型，對(duì)結(jié)構(gòu)基頻進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖8。由圖8可知:一階振動(dòng)理論基頻為0.397;動(dòng)載試驗(yàn)實(shí)測(cè)基頻為0.413。實(shí)測(cè)頻率較理論值略大，說(shuō)明結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度略大于設(shè)計(jì)狀態(tài)。目前中國(guó)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》(CJJ 69—95)規(guī)定人行天橋上部一階豎向基頻應(yīng)不小于3 Hz，但該規(guī)范制定時(shí)間較早，已不符合橋梁設(shè)計(jì)的發(fā)展現(xiàn)狀，目前城市及景區(qū)的建設(shè)中，大跨度人行橋的應(yīng)用越來(lái)越普遍，特別是大跨度人行懸索橋跨度大、剛度小，難以滿足上述規(guī)定。故本文借鑒歐洲橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中的規(guī)定:當(dāng)人行橋豎向基頻小于3 Hz，應(yīng)進(jìn)行振動(dòng)分析和評(píng)價(jià)。

圖8 一階豎彎振型

對(duì)依托工程擬定2種行人過(guò)橋舒適度評(píng)價(jià)工況，即單人跨中激振(工況一)及人群過(guò)橋激振(工況二)［14-17］。

無(wú)論是單人激勵(lì)還是人群過(guò)橋，橋梁跨中振動(dòng)反應(yīng)都是最為劇烈，圖9、10分別給出了2種動(dòng)力作用工況下結(jié)構(gòu)跨中加速度時(shí)程，跨中動(dòng)力分析結(jié)果見(jiàn)表3。由圖9可知，在單人激振作用下，跨中振動(dòng)呈現(xiàn)周期變化，且跨中加速度逐漸達(dá)到最大，而后又趨于平緩，跨中最大加速度達(dá)到28.3 cm·s－2，加速度均方根為 13.45 cm·s－2。由圖 10可知，跨中加速度時(shí)程具有4個(gè)明顯特征:階段Ⅰ為人群上橋前，結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度為0;階段Ⅱ?yàn)槿巳荷蠘蛭吹竭_(dá)跨中時(shí)，振動(dòng)不劇烈;階段Ⅲ為人群行至跨中，結(jié)構(gòu)振動(dòng)較為劇烈，最大加速度達(dá)到80.2 cm·s－2，加速度均方根為28.83 cm·s－2;階段Ⅳ為人群下橋后，結(jié)構(gòu)振動(dòng)逐漸趨于平緩。

圖9 單人激振跨中豎向加速度時(shí)程曲線

借鑒歐洲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范采用均方根加速度來(lái)表征振動(dòng)允許值［18］，計(jì)算得 32 cm·s－2。由表 3 可知，單人激振和人群過(guò)橋激振下跨中加速度響應(yīng)均滿足要求，但工況二與限值較為接近，應(yīng)注意人行橋運(yùn)營(yíng)過(guò)程對(duì)人流量的監(jiān)測(cè)。

5 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)某單跨175 m大跨度人行懸索橋進(jìn)行靜力性能評(píng)價(jià)，通過(guò)靜力試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)各控制截面主纜實(shí)際變形規(guī)律與理論一致，跨中最大垂度較理論值小，其他控制點(diǎn)垂度與理論計(jì)算較為接近，且主纜垂度校驗(yàn)系數(shù)范圍在0.855～0.946，最大相對(duì)殘余變形為5.39%，主纜的實(shí)際工作性能與設(shè)計(jì)基本一致。同時(shí)，針對(duì)依托工程的實(shí)際情況，進(jìn)行行人過(guò)橋豎向舒適度研究，發(fā)現(xiàn)單人激振和人群過(guò)橋激振下跨中加速度響應(yīng)均滿足要求，但應(yīng)注意人行橋運(yùn)營(yíng)過(guò)程對(duì)人流量的監(jiān)測(cè)。

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Evaluation of Static and Dynamic Performance of Long-span Suspension Footbridge

JIANG Zhi-yuan
(Qingdao Transportation Planning and Design Institute，Qingdao 266102，Shandong，China)

The linear measurement of a suspension footbridge with a single span of 175 m was carried out，and the error analysis of the measured linearity and designed linearity was conducted．The modified finite element model was established based on the measured linearity to determine the static test conditions and loading methods，and the structural static performance was evaluated．Meanwhile，the dynamic analysis model was established based on the actual situation of the project，and two cases of pedestrian-induced excitation，namely a single pedestrian passes through the middle of the span and a crowd walks on the bridge，were proposed to evaluate the serviceability of the bridge．Through the static test，it is found that the actual deformation law of the main cable of each control section is consistent with the theory，and the maximum sag value is smaller than the theoretical value，while the other control points are close to the theoretical values．Aiming at the vertical comfort when pedestrians cross the bridge，it is found that the acceleration response under pedestrian-induced excitation meets the requirements in both cases．

long-span suspension bridge;finite element model;structural static performance;footbridge

U448．25

B

1000-033X(2017)09-0126-05

0 引 言

人行懸索橋因其結(jié)構(gòu)造型及綜合造價(jià)方面的優(yōu)勢(shì)，在山區(qū)景觀橋梁中的應(yīng)用較為廣泛，但與其他跨徑橋梁相比，其主纜剛度較小且變形較大，對(duì)風(fēng)較為敏感，因此在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中對(duì)安全更需引起重視;目前，對(duì)于懸吊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及施工的關(guān)鍵技術(shù)已有大量的研究和探討［1-2］，而對(duì)人行懸索橋運(yùn)營(yíng)過(guò)程中受力性能評(píng)價(jià)方面的研究較少。此外，由于人行懸索橋跨度較大而體系較柔，行人過(guò)橋的共振問(wèn)題也較為突出，振動(dòng)問(wèn)題不僅關(guān)系到結(jié)構(gòu)的安全，也影響到行人過(guò)橋的舒適度，特別對(duì)景區(qū)橋梁，需引起足夠的重視。

2017-03-11

交通運(yùn)輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2015319817110)

江志遠(yuǎn)(1970-)，男，山東即墨人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榈缆窐蛄涸O(shè)計(jì)。

［責(zé)任編輯:杜衛(wèi)華］