溫度對懸索橋主纜垂度、橋面線型及索力的影響探析

司 瑞 （安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230032）

近年來隨著大跨徑懸索橋在我國的蓬勃發(fā)展，該橋型越來越受到工程界的重視和青睞。通常考慮大跨徑懸索橋柔性較高的特點，其線形、垂度、索力易受現(xiàn)環(huán)境溫度的影響，所以通過橋梁歷年變形觀測的數(shù)據(jù)對橋梁隨溫度變化的分析已成為橋梁工程的一個重要的課題。

1 工程概況

金寨縣油坊店鄉(xiāng)面沖村江灣至牌坊便民橋主橋采用雙塔單跨柔性懸索橋形式，跨徑布置為2×9m（西引橋）+108m（主橋）+（9+8）m（東引橋）=143m，橋面凈寬1.5m。主跨矢跨比為1/12，邊索傾角26.57°。主索中距1.8m，吊桿間距為3m?？癸L索計算跨徑102m，矢跨比為1/30，水平夾角30°。設計荷載：人群2.7kN/m（2滿載），集中荷載10kN。地震基本烈度為6度，采用構(gòu)造簡易設防。設計安全等級為Ⅰ級。該懸索橋每根主索采用7Φ30鍍鋅鋼絲繩，全橋共設35對吊桿。橋面系橫梁采用I20b，縱梁采用5根I14，橋面板為8mm厚防滑鏤空鋼板+50mm厚杉木板?？癸L主索采用Φ44鍍鋅鋼絲繩，拉索采用Φ12鍍鋅鋼絲繩。橋塔采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用樁基接承臺形式。主索兩岸均采用重力式錨碇系統(tǒng)，錨碇統(tǒng)一設置錨桿，抗風主索采用1m×1m方樁與錨碇相結(jié)合的錨固形式。橋塔采用C40鋼筋混凝土，橋塔承臺、邊墩及其基礎(chǔ)、橋臺帽梁、錨碇板采用C30鋼筋混凝土，為現(xiàn)場自拌澆筑。

2 試驗檢測內(nèi)容

①主纜垂度檢測：在兩側(cè)橋塔、跨中處索夾主纜中心位置布設測點，采用全站儀對兩側(cè)主纜的相對高程進行量測，對比分析兩側(cè)實測主纜垂度與2017年實垂度吻合情況；②橋面縱向線形檢測：橋面縱向線形檢測的測點應沿橋縱向在上、下游邊緣線2條線上分別布設，且布設在橋跨結(jié)構(gòu)的特征點截面上，利用水準儀對橋面各測點進行量測，對比分析每條測線線形以及與設計線形的吻合情況，并繪制對比圖；③結(jié)構(gòu)計算分析利用Midas/civil 2019建立主橋空間有限元模型進行成橋階段分析，即在成橋狀態(tài)下分析橋梁的靜力和動力反應，從而為索力的測試與分析提供依據(jù)。采用只受拉桁架單元模擬主索與吊桿，采用梁單元模擬橋塔與鋼梁；④邊跨主索索力檢測恒載作用下主索索力的實際狀況與設計值的符合程度是衡量結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)是否符合設計要求和施工水平的一個重要指標。對于一般結(jié)構(gòu)，要在竣工后測量恒載引起的內(nèi)力是難以做到的，但是對于拉索，可以用測量拉索橫向振動頻率的辦法，間接測出拉索的索力。

3 檢測結(jié)果分析

3.1 主纜垂度檢測

在每個索夾主纜中心位置布設測點，采用全站儀對兩側(cè)主纜的線形進行量測，對比分析兩側(cè)實測主纜垂度、2017年實測成果的吻合情況，具體實測結(jié)果及對比分析如表1所示。

實測成果對比分析 表1

本次兩側(cè)主纜實測垂度整體相對于2017年偏小，偏差約為65mm。

3.2 橋面縱向線形檢測

由于該橋為人行橋，橋面較窄，對于主橋的橋面縱向線形測量，采用兩條測線（南、北兩側(cè)踢腳頂面）進行測點布置。每側(cè)測點均起止于東、西兩端梁端線，對應于吊桿位置布置，即各測點的縱向間距為3.0m，單側(cè)布置37個測點。兩側(cè)測點的編號按照從東至西的方向依次編號為N1～N37和S1～S37，且橋外設置一個固定基準點A，現(xiàn)場測量選擇在溫度穩(wěn)定的清晨進行。

現(xiàn)場通過電子水準儀測得本次以及2017年兩條測線上各測點相對于基準點的高程值繪制橋面幾何線形對比圖如下所示。

圖1 2017年、2019年北側(cè)實測線形對比

圖2 2017年、2019年南側(cè)實測線形對比

通過以上圖表可知，本次主橋兩側(cè)實測橋面縱向線形基本光滑平順，沒有明顯的凸起和凹落點，但兩側(cè)線形存在較小偏差，南側(cè)高程整體較北側(cè)大，這與2017年度實測結(jié)果基本相符，且與兩側(cè)主纜線形存在的偏差基本一致；本次主橋兩側(cè)實測橋面高程整體相對于2017年偏大，跨中處最大偏差約為75mm。

3.3 邊跨索力檢測

本次利用無線遙測振動（索力）測試分析系統(tǒng)基于實測基頻的索力計算方法對兩邊跨共4段主索的索力進行測試分析。各索段相關(guān)技術(shù)參數(shù)及索力測試分析結(jié)果如圖3、表2所示。

圖3 實測索段振動信號FFT平均譜

邊跨各索段索力測試分析對比結(jié)果（單位：kN） 表2

通過以上圖表可知，本次邊跨各索段實測索力在198.6kN～200.3kN之間，與2017年實測結(jié)果偏差在80.6 kN～87.3kN之間。

3.4 垂度、橋面高程、索力偏差成因分析

根據(jù)上文可知，本次實測主纜垂度、橋面縱向線形以及邊跨索力與2017年實測結(jié)果均存在較大偏差，由于該橋為大跨徑柔性人行懸索橋，結(jié)合其它檢測結(jié)果以及兩次測試時現(xiàn)場環(huán)境和出現(xiàn)偏差的規(guī)律，初步判斷為環(huán)境溫度的影響。下面結(jié)合Midas/civil 2019建立的主橋有限元模型進行分析驗證。

2017年現(xiàn)場檢測時間為6月22日傍晚，環(huán)境溫度約為25～30℃，本次現(xiàn)場測試時間為2019年1月24日，環(huán)境溫度約為5～10℃，其它條件相同，即本次相對于2017年附加存著一個均勻降溫的作用效應，在模型中按均勻降溫22℃考慮，具體分析結(jié)果如下所示。

圖4 均勻降溫22℃工況下邊跨索力

圖5 均勻降溫22℃工況下跨中主纜、主梁豎向位移

兩年度線形、索力實測偏差與計算值對比 表3

通過以上圖表可知，實測偏差與計算偏差基本吻合，表明該橋跨結(jié)構(gòu)主纜垂度、橋面線形以及主纜索力受溫度影響較大。

4 檢測結(jié)論

根據(jù)兩次主纜垂度、橋面線型以及索力的實測結(jié)果可知，兩次實測垂度、橋面線型及索力存在偏差，經(jīng)分析，實測偏差與計算偏差基本吻合，表明該橋跨結(jié)構(gòu)主纜垂度、橋面線形以及主纜索力受溫度影響較大。為保證檢測數(shù)據(jù)的連續(xù)性和可對比性，建議今后的檢測工作盡量安排在同一月份進行。