景區(qū)人行玻璃懸索橋荷載試驗(yàn)分析研究

單積明

(北京市建設(shè)工程質(zhì)量第三檢測所有限責(zé)任公司， 北京 100037)

1 工程概況

某景區(qū)為進(jìn)一步提升旅游質(zhì)量，在景區(qū)內(nèi)修建一座景觀玻璃橋，設(shè)計(jì)為主跨178m的懸索橋。主纜采用單側(cè)縱向121根φ7平行鋼絲，主纜間中心間距為2.88m，中跨設(shè)置吊索，吊索與橫梁為螺栓式連接。

主梁由下部的橫梁和上部梁格體系方鋼構(gòu)成，橫梁長3.08m，人行道寬度2.2m。下部橫梁采用200×200×6方鋼組焊，橫梁順橋向間距3.0m。上部采用150×100×5方鋼組焊焊接形成玻璃箱體框架，以提高主梁剛度和穩(wěn)定性。箱體框架間距以3.0m為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)段，吊索橫向間距2.88m，吊索采用螺栓與吊梁連接錨固于欄桿外側(cè)吊梁處；吊梁端部焊接耳板，用于錨固抗風(fēng)拉索的上端動滑輪組。橋面為3層鋼化玻璃橋面板，其接縫處留20mm間距以防碰撞。為提高耐久性，在鋼化玻璃間隙間采用玻璃膠密實(shí)。橋梁設(shè)計(jì)荷載為人群荷載1.5kN/m2(全橋限290人)，橋梁示意見圖1。

圖1 橋梁平、立面布置示意圖/cm

為保證結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)穩(wěn)定性，在橋面下方設(shè)置抗風(fēng)索，通過抗風(fēng)索將橋面系與抗風(fēng)錨固樁連接。

2 荷載試驗(yàn)內(nèi)容

本項(xiàng)目橋梁為景區(qū)景觀玻璃懸索橋，由于該橋采用玻璃橋面，自重較輕，橋體剛度小，計(jì)算復(fù)雜；且位于人流較為密集的景區(qū)游樂園。該橋運(yùn)營后承受的荷載主要為人群荷載、風(fēng)荷載、溫度荷載。為進(jìn)一步驗(yàn)證橋梁的承載能力是否滿足設(shè)計(jì)荷載要求，本試驗(yàn)主要分析人群荷載作用下結(jié)構(gòu)的受力性能，具體試驗(yàn)項(xiàng)目及內(nèi)容[1-4]見表1。

荷載試驗(yàn)工況測試項(xiàng)目表1

3 有限元分析計(jì)算

根據(jù)該橋的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，采用MIDAS Civil懸索橋建模助手建立全橋三維有限元模型如圖2所示。主纜、吊索采用桁架單元、加勁梁采用梁單元、玻璃面板采用板單元，橋塔與加勁梁連接處、玻璃面板與橫梁連接處邊界均采用彈性連接中剛性支承，全橋有限元模型共計(jì)1 198個(gè)節(jié)點(diǎn)，942個(gè)單元。索塔采用C40混凝土、吊索為Q235鋼筋、加勁梁為Q235方鋼、橋面為33mm厚的3層鋼化玻璃。

橋梁計(jì)算模型根據(jù)施工圖紙尺寸建立，材料強(qiáng)度按規(guī)范取用；根據(jù)施工圖紙，計(jì)算活荷載為設(shè)計(jì)人群荷載1.5kN/m2。分別計(jì)算試驗(yàn)荷載對結(jié)構(gòu)控制截面產(chǎn)生的最不利變形，并按此變形值進(jìn)行等效加載。有限元模型見圖2,3，荷載試驗(yàn)加載效率見表2。

圖2 結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算節(jié)點(diǎn)模型圖

圖3 人群荷載作用下結(jié)構(gòu)位移變形/mm

靜力荷載試驗(yàn)加載效率表2

4 荷載試驗(yàn)加載措施

由于該橋跨徑較大，設(shè)計(jì)均布荷載加載總質(zhì)量較大，實(shí)施上有難度，現(xiàn)場試驗(yàn)采用等代荷載法進(jìn)行加載；且該橋?yàn)槿诵袠?，無法使用車輛加載，考慮該橋下方為水塘，取水方便，最終選用水袋作為加載重物，為避免荷載集中對結(jié)構(gòu)的不利影響，選取在跨中36m范圍內(nèi)進(jìn)行均布加載(圖4)，水袋尺寸為28cm×28cm×28cm，單個(gè)水袋容量為20L，具體布置見圖5，6。

圖4 跨中最大撓度加載示意圖/cm

圖5 水袋加載平面布置示意圖/cm

圖6 跨中截面水袋均布加載

就某一加載試驗(yàn)項(xiàng)目而言，其所需加載物的數(shù)量，將根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)活荷載產(chǎn)生的該加載試驗(yàn)項(xiàng)目對應(yīng)的控制截面內(nèi)力或變位等最不利效應(yīng)值，按下式所確定的原則等效換算而得[5]。

式中：Sstate為靜載試驗(yàn)荷載作用下，某一加載試驗(yàn)項(xiàng)目對應(yīng)的加載控制截面內(nèi)力或位移的最大計(jì)算效應(yīng)值；s為控制荷載產(chǎn)生的同一加載控制截面內(nèi)力或位移的最不利效應(yīng)計(jì)算值；η為靜載試驗(yàn)效率；μ為按《公路橋涵設(shè)計(jì)通過規(guī)范》(JTG D60—2015)取用的沖擊系數(shù)值，該橋?yàn)槿诵袠?，不考慮沖擊系數(shù)。

5 測點(diǎn)布置

5.1 應(yīng)變測點(diǎn)布置

在跨中截面縱梁底面布置應(yīng)變測點(diǎn)，為避免加載過程中應(yīng)變漂移，測試采用穩(wěn)定性較好的振弦式應(yīng)變計(jì)配備專用采集儀進(jìn)行應(yīng)變數(shù)據(jù)采集，具體見圖7[6-7]。

圖7 主梁應(yīng)變測點(diǎn)及橋面撓度測點(diǎn)布置示意圖/mm

5.2 撓度測點(diǎn)布置

撓度測點(diǎn)布置在兩側(cè)對應(yīng)吊索位置處，具體見圖7。

5.3 索塔縱向位移測點(diǎn)布置

索塔塔頂水平變位測點(diǎn)布置分別在1號索塔、2號索塔頂部，每個(gè)塔柱布置1個(gè)測點(diǎn)，全橋共布置4個(gè)測點(diǎn)。

5.4 主纜豎向位移測點(diǎn)布置

選取試驗(yàn)加載范圍內(nèi)23#～35#吊索對應(yīng)主纜進(jìn)行線形變化測量，具體布置位置見圖8。測量采用萊卡TS-50全站儀，并在每根吊索對應(yīng)索夾位置粘貼反光片作為測點(diǎn)。

圖8 主纜豎向位移測點(diǎn)布置示意圖/mm

6 靜力荷載試驗(yàn)結(jié)果及分析

6.1 應(yīng)變測試結(jié)果分析

在試驗(yàn)荷載作用下，實(shí)測主梁應(yīng)變值小于理論值，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)(彈性值/計(jì)算值)為0.83～0.85，卸載后相對殘余應(yīng)變?yōu)?.62%～7.09%，均小于20%，表明在試驗(yàn)荷載作用下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/T J21—2011)要求[6-7]，測試結(jié)果如表3所示，應(yīng)變隨荷載變化曲線如圖9所示。

圖9 荷載作用下1#點(diǎn)實(shí)測應(yīng)變隨荷載增長的線性相關(guān)圖

試驗(yàn)荷載作用下主梁應(yīng)變測試結(jié)果 表3

6.2 橋面撓度測試結(jié)果分析

荷載作用下主梁實(shí)測撓度值均小于計(jì)算值、校驗(yàn)系數(shù)為0.83～0.94，卸載后測點(diǎn)相對殘余變形為4.34%～9.54%，均小于20%。表明結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下結(jié)構(gòu)剛度能滿足使用要求[6-7]。由于測試數(shù)據(jù)較多，選取23#～35#吊索對應(yīng)位置的橋面測點(diǎn)進(jìn)行分析，測試結(jié)果見表4。分級加載作用下橋面撓度曲線見圖10。

圖10 分級加載作用下橋面測點(diǎn)撓度曲線

根據(jù)測試結(jié)果，對試驗(yàn)荷載作用下主梁測點(diǎn)實(shí)測撓度與控制荷載作用下主梁測點(diǎn)撓度進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明，實(shí)測撓度曲線與計(jì)算撓度曲線吻合，且主要測點(diǎn)實(shí)測值均小于計(jì)算值，具體見圖11。

圖11 滿載作用下橋面測點(diǎn)實(shí)測撓度與計(jì)算撓度對比曲線

6.3 主纜撓度變化測試結(jié)果分析

選取加載范圍內(nèi)23#～35#吊索對應(yīng)主纜進(jìn)行撓度變化測量，實(shí)測校驗(yàn)系數(shù)為0.87～0.92，實(shí)測值均小于計(jì)算值，卸載后，相對殘余變形為1.17%～9.02%，均小于20%。表明主纜結(jié)構(gòu)在荷載作用下結(jié)構(gòu)剛度能滿足使用要求。具體結(jié)果見表5，6。

6.4 索塔偏位測試結(jié)果分析

荷載作用下索塔實(shí)測變形校驗(yàn)系數(shù)介于0.83～0.84，實(shí)測值均小于計(jì)算值，表明索塔結(jié)構(gòu)剛度滿足設(shè)計(jì)要求。卸載后，測試截面測點(diǎn)的相對殘余變形為7.16%～8.62%，表明索塔結(jié)構(gòu)在荷載作用下結(jié)構(gòu)剛度能滿足使用要求。具體結(jié)果見表7，索塔偏位示意見圖12。

試驗(yàn)荷載作用下橋面撓度測試結(jié)果 表4

試驗(yàn)荷載作用下右側(cè)主纜撓度實(shí)測結(jié)果 表5

試驗(yàn)荷載作用下左側(cè)主纜撓度實(shí)測結(jié)果 表6

試驗(yàn)荷載作用下索塔偏位測試結(jié)果 表7

圖12 荷載作用下索塔偏位示意圖

6.5 吊索索力增量測試結(jié)果分析

選取27#～31#吊索進(jìn)行試驗(yàn)荷載作用下吊索索力增量測試，實(shí)測校驗(yàn)系數(shù)為0.87～0.92之間，實(shí)測值均小于計(jì)算值，卸載后，相對殘余變形為1.17%～9.02%，均小于20%。具體結(jié)果見表8。

試驗(yàn)荷載作用下右側(cè)主纜撓度實(shí)測結(jié)果 表8

7 動力荷載試驗(yàn)結(jié)果及分析

7.1 橋梁振動頻率分析

橋梁振動頻率測試主要是在橋面無任何可變荷載以及橋址附近無規(guī)則振源的情況下，通過高靈敏度動力測試系統(tǒng)測定風(fēng)荷載、地脈動、水流等隨機(jī)荷載激振而引起橋跨結(jié)構(gòu)的微小振動響應(yīng)。橋跨結(jié)構(gòu)的振動頻率與結(jié)構(gòu)的剛度有著確定的對應(yīng)關(guān)系，因而可以通過振動頻率判斷橋梁結(jié)構(gòu)的剛度，測試結(jié)果見表9。

橋跨結(jié)構(gòu)自振特性參數(shù)測試結(jié)果 表9

7.2 橋梁人致振動舒適度測試

橋梁舒適度的測試主要包括：1)測試單人荷載作用下的響應(yīng)；2)測試一小群人荷載作用下的響應(yīng)；3)測試連續(xù)移動人行荷載作用下的響應(yīng)[8-10]。

在人致振動舒適度分析時(shí)，行人密度按1.5人/m2計(jì)算，步行荷載模型應(yīng)根據(jù)行人密度進(jìn)行計(jì)算，玻璃懸索橋結(jié)構(gòu)的阻尼比宜取0.40%～0.55%。

測試時(shí)應(yīng)采用節(jié)拍器等措施，使行人的步頻接近關(guān)鍵固有頻率，并實(shí)現(xiàn)同步(測試采用10個(gè)行人進(jìn)行測試)。具體測試結(jié)果見表10。

測試結(jié)果 表10

對于人行橋舒適度的要求，目前國內(nèi)只有河北省頒布的《景區(qū)人行玻璃懸索橋與玻璃棧道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(DB13(J)/T 264—2018)有相關(guān)規(guī)定，具體見表11。

行人舒適度評價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 表11

根據(jù)測試結(jié)果，在采用1人豎向跳躍、橫向晃動、勻速跑步、勻速行走以及5人勻速行走、10人勻速行走等測試工況下，橋上行人體驗(yàn)舒適度最佳。

8 結(jié)論與建議

(1)試驗(yàn)荷載作用下，縱梁應(yīng)力、橋面撓度、主纜撓度、橋塔偏位、吊索索力增量的實(shí)測值均小于計(jì)算值，校驗(yàn)系數(shù)、殘余變形均滿足規(guī)范要求。

(2)試驗(yàn)荷載作用下，主梁最大撓跨比小于1/300，實(shí)測主纜線形(橋面線形)與計(jì)算結(jié)果吻合較好。

(3)通過現(xiàn)場對人致振動舒適度的測試，在各試驗(yàn)工況下加速度峰值均滿足規(guī)范相關(guān)等級要求，舒適度評價(jià)為最佳。

(4)對人行玻璃懸索橋荷載試驗(yàn)加載時(shí)可采用小水袋進(jìn)行加載，能更好地模擬人群均布荷載，且測試效果較好，對類似的工程具有一定的參考意義。

(5)人行玻璃懸索橋多位于旅游景區(qū)，人流較大，在設(shè)計(jì)計(jì)算分析時(shí)應(yīng)考慮人群集中分布在橋跨某一區(qū)域時(shí)的受力分析，并給出具體的限載人流數(shù)據(jù)，方便運(yùn)營期管理。

(6)針對人行橋舒適度的評價(jià)，目前國內(nèi)無相關(guān)的行業(yè)規(guī)范，只有河北省地方標(biāo)準(zhǔn)《景區(qū)人行玻璃懸索橋與玻璃棧道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(DB 13(J)/T 264—2018)有相關(guān)要求，相關(guān)部門應(yīng)盡快完善相關(guān)規(guī)范的編制，且應(yīng)該把人行橋舒適度的評價(jià)作為橋梁交竣工驗(yàn)收的依據(jù)。