象山某玻璃棧道承載力驗算及靜載荷試驗研究

張世華，熊曉亮，周甘霖

（1. 浙江浙文工程檢測技術有限公司，浙江 溫州 325011；2. 杭州市勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 310021；3. 浙江創(chuàng)新工程檢測有限公司，浙江 杭州 310012）

0 引 言

近些年來隨著人們對精神、文化、娛樂多元化需求越來越旺盛，各種新鮮的、刺激的旅游項目逐漸取代傳統(tǒng)旅游項目，這些旅游項目包括玻璃吊橋、玻璃棧道、高空觀景平臺等[1]。由于棧道大多數(shù)建于懸崖峭壁、地形復雜的部位，棧道的結構形式需要與地形完美融合，因此實際工程中沒有完全相同的棧道。棧道的結構形式主要有立柱式、懸挑式、斜柱式或者多種形式組合等[2]。

然而很多棧道由當?shù)卮逦蚵糜未ü窘M織開發(fā)，由于前期匆忙施工從而缺少完整的設計、施工、監(jiān)理資料，因此存在巨大的安全隱患，此類棧道一旦出現(xiàn)事故就會造成人員傷亡等災難性的后果[2]。為順應需求、方便管理，河北省發(fā)布了關于玻璃天橋和玻璃棧道的規(guī)范《景區(qū)人行玻璃懸索橋與玻璃棧道技術標準》（DB13(J)/T 264—2018）[3]，中國工程建設標準化協(xié)會標準編制了專門針對玻璃棧道的《玻璃棧道工程技術規(guī)程》（T/CECS 896—2021）[4]。近些年也有一些學者對玻璃棧道進行了初步的研究，如褚騰峰[5]采用SAP2000有限元軟件進行不同工況人行荷載下的玻璃棧道舒適度的數(shù)值模擬，趙璐[6]將層次分析法引進玻璃棧道安全評估中建立其遞階層次分析模型，進而確立評估指標體系，郝鵬[7]對“三無”旅游棧道進行結構性能試驗探索并討論了檢驗此類棧道的承載能力及安全性能的方法。

但針對已建并運營多年的玻璃棧道承載能力驗算及荷載試驗的研究相對較少，本文針對象山某玻璃棧道進行承載力驗算并對未通過驗算的項目進行加固處理，加固處理后通過荷載試驗驗證加固的有效性，為后續(xù)已建棧道的承載力驗算及處理提供相關借鑒。

1 工程概況

象山某玻璃棧道海拔高度約180 m，玻璃棧道位于峭壁、依山勢而造，棧道寬約 1.5 m、全長約160 m。棧道東西兩側共設置兩個觀光平臺，東側依地勢設置回字型觀光平臺，西側設置方型觀光平臺（實景圖見圖1、平面圖見圖2）。根據(jù)現(xiàn)場地形地貌玻璃棧道豎向采用雙立柱、單立柱承重，立柱均采用直徑約230 mm的圓柱，立柱下方采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土獨立基礎（實景圖見圖3、剖面圖見圖4）。雙立柱上方與鋼筋混凝土框架梁兩端剛接；單立柱與上方鋼筋混凝土梁剛接，靠山一端擱置在混凝土縱梁上或采用錨筋與基巖連接；棧道局部采用懸挑梁承重，懸挑梁根部與基巖采用錨筋連接（見圖5）。棧道行人面板采用8 mm+1.52 mm PVB+8 mm+1.52鋼化夾膠玻璃，行人面板與鋼筋混凝土梁采用結構膠連接。外側欄桿采用不銹鋼立柱作為主要豎向承重構件，立柱根部采用連接件與棧道外側混凝土梁連接，欄板采用8 mm+1.52 mm PVB+8 mm鋼化夾膠玻璃，欄板與不銹鋼立柱采用連接件連接（見圖6）。

圖1 玻璃棧道衛(wèi)星圖及實景Fig. 1 Satellite view and live photo of glass skywalk

圖2 玻璃棧道總平面圖Fig. 2 General plan of glass skywalk

圖3 立柱及立柱基礎圖Fig. 3 Column and column foundation

圖4 構件單元剖面圖Fig. 4 Section view of component unit

圖5 懸挑梁根部與基巖連接圖Fig. 5 Connection between root of overhanging beam and bedrock

圖6 棧道外側欄桿實景Fig. 6 Outer railings of the boardwalk

通過現(xiàn)場踏勘結合鉆孔取芯對巖體完整性、堅硬程度、風化程度及軟化系數(shù)進行分析判斷，經綜合判斷場地巖體為不軟化、微風化的堅硬巖，巖樣照片詳見圖7。

圖7 巖體芯樣照片F(xiàn)ig. 7 Rock samples

經現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)：局部玻璃棧道行人面板被風掀翻，欄桿扶手外推時晃動明顯；同時棧道主體結構缺少設計資料及驗收資料。

2 玻璃棧道驗算原則及項目

（1）鑒于該玻璃棧道整體位于海拔高度約180 m的山谷（風荷載較大），現(xiàn)場查勘發(fā)現(xiàn)局部行人玻璃面板被風吸力掀翻，因此本次需要對棧道行人玻璃面板抵抗風吸力的情況進行驗算。

（2）鑒于該玻璃棧道有很長一段采用懸臂梁嵌入基巖的型式建造，懸臂梁比雙立柱支撐梁受力不利，因此本次限于篇幅僅選取懸挑長度較長、面板間距較大的懸挑梁進行驗算。

（3）鑒于該玻璃棧道欄桿主要受力桿件（不銹鋼立柱）截面尺寸偏小，且根部連接較為薄弱，現(xiàn)場外推時晃動感明顯，因此本次選取其中受荷面積較大的欄桿豎向桿件進行驗算。

其余如立柱抗壓驗算、立柱穩(wěn)定性驗算限于篇幅本文不作討論。

3 玻璃棧道風荷載驗算

3.1 風荷載最大位置（谷口）驗算

玻璃棧道行人面板風荷載驗算選擇在風力較大的谷口、山口，并且位于懸挑部位，即類似于檐口、雨篷的部位進行。驗算取50年一遇的基本風壓進行驗算。

（1）根據(jù)《建筑結構荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）[8]第 8.2.1條、第 8.2.2條、第 8.2.3條：μz=1.536。

（2）根據(jù)《建筑結構荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）第8.3.3條第2款，取μs1=-2.0。

（3）根據(jù)《建筑結構荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）第8.6.1條，陣風系數(shù)取值為βgz=1.6。

（4）根據(jù)《建筑結構荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）附錄E續(xù)表E.5，象山縣石浦50年一遇基本風壓取ω0=1.2 kN/m2。

根據(jù)《建筑結構荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）第8.1.1條：

經風荷載驗算表明：玻璃棧道行人面板風荷載作用效應大于抗力效應，不滿足要求。

以上驗算不考慮結構膠連接的有利因素，僅考慮面板自身重力抵抗風荷載。

3.2 一般部位風荷載驗算

玻璃棧道行人面板風荷載驗算選擇在一般地段。驗算取50年一遇的基本風壓進行驗算。

（1）根據(jù)《建筑結構荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）第 8.2.1 條：μz=0.82。

（2）根據(jù)《建筑結構荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）第8.3.1條，取μs1=-1.3。

（3）根據(jù)《建筑結構荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）第8.4.3條，陣風系數(shù)取值為βg=1.0。

（4）根據(jù)《建筑結構荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）附錄E續(xù)表E.5，象山縣石浦50年一遇基本風壓取ω0=1.2 kN/m2。

根據(jù)《建筑結構荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）第8.1.1條：

經風荷載驗算表明：玻璃棧道行人面板風荷載作用效應大于抗力效應，不滿足要求。

以上驗算不考慮結構膠連接的有利因素，僅考慮面板自身重力抵抗風荷載。

4 玻璃棧道懸臂梁驗算

本次驗算擬選擇懸臂長度最長、跨度最大的（9/N-W）軸懸臂梁進行，具體驗算位置詳見圖8。

圖8 玻璃棧道驗算梁位置圖Fig. 8 Glass skywalk check beam position diagram

4.1 荷載取值及荷載簡圖

（1）恒荷載取值

a）棧道行人面板特種玻璃自重取為 80 kg/m2（即0.8 kN/m2）。

b）棧道鋼筋混凝土梁、柱自重取為25 kN/m3。

c）綜合考慮玻璃欄板、鋼欄桿、不銹鋼扶手后按0.8 kN/m取值。

（2）活荷載取值

a）基本風壓取1.2 kN/m2。

b）本次驗算考慮適當限流措施，故人群荷載標準值按4.0 kN/m2進行驗算。

（3）荷載簡圖

欄桿作用在梁端集中荷載標準值為1.28 kN；混凝土梁自重荷載標準值為2.4 kN/m；玻璃行人面板自重標準值為1.28 kN/m；人群荷載標準值為6.4 kN/m。恒荷載、活荷載分項系數(shù)分別取1.3、1.5。作用在（9/N-W）軸懸臂梁上的荷載設計值詳見圖9。

圖9 （9/N-W）軸懸臂梁荷載簡圖Fig. 9 Load diagram of (9/N-W) axis cantilever beam

4.2 材料強度取值情況

驗算梁長度按 1.6 m取值，根部截面尺寸為240 mm×400 mm，頂部配筋為3根直徑為16 mm的帶肋鋼筋（驗算偏保守考慮為HRB335級鋼），本次驗算偏保守考慮取混凝土強度等級為C20。

4.3 抗彎承載力驗算

根據(jù)《混凝土結構設計規(guī)范》（GB 50010—2010，2015版）[9]本項目環(huán)境類別為海風環(huán)境（三a類），梁保護層厚度取為40 mm，根據(jù)《玻璃棧道工程技術規(guī)程》（T/CECS 896—2021）[4]重要性系數(shù)取為1.1，不考慮梁底受壓鋼筋的有利作用，不考慮風吸力的有利作用?！痘炷两Y構設計規(guī)范》（GB 50010—2010，2015版）第6.2.10條、6.2.14條：

（1）最大抗彎承載力：

（2）最大彎矩設計值：

（3）抗彎承載力極限狀態(tài)計算：

經抗彎承載力驗算表明：擬驗算的梁抗彎承載力滿足要求。

4.4 抗剪承載力驗算

根據(jù)《混凝土結構設計規(guī)范》（GB 50010—2010，2015版）第6.3節(jié)進行抗剪承載力驗算。

（1）剪力設計值：

（2）截面限制條件驗算：

（3）按不配置箍筋考慮抗剪驗算：

經抗剪承載力驗算表明：驗算的梁抗剪承載力滿足要求。

4.5 撓度驗算

根據(jù)《混凝土結構設計規(guī)范》（GB 50010—2010，2015版）第3.4.3條鋼筋混凝土受彎構件的最大撓度應按荷載的準永久組合，并考慮荷載長期作用影響進行計算。

（1）撓度限值

根據(jù)《混凝土結構設計規(guī)范》（GB 50010—2010，2015版）表3.4.3及注1、2的規(guī)定（使用上對撓度要求較高考慮）：[νu]=3 200/250=12.8 mm。

（2）撓度計算

根據(jù)《混凝土結構設計規(guī)范》（GB 50010—2010，2015版）第7.2.1條：

故：f=0.74 mm＜12.8 mm

經撓度驗算表明：擬驗算的梁撓度滿足要求。

4.6 裂縫驗算

（1）裂縫寬度限值

根據(jù)《混凝土結構設計規(guī)范》（GB 50010—2010，2015版）表3.4.5的規(guī)定（本項目為三a類環(huán)境）：wlim=0.2 mm。

（2）裂縫寬度理論計算值

根據(jù)《混凝土結構設計規(guī)范》（GB 50010—2010，2015版）第7.1.4條：

第7.1.2條：

經裂縫驗算表明：擬驗算的梁裂縫寬度未超出規(guī)范要求。

5 玻璃棧道欄桿水平位移驗算

根據(jù)《玻璃棧道工程技術規(guī)程》（T/CECS 896—2021）[4]第3.3.7條第7款：作用在欄桿扶手上水平荷載應不小于 2.0 kN/m。本次驗算欄桿高度取1.1 m，欄桿水平間距取為1.5 m。

根據(jù)《建筑用玻璃與金屬護欄》（JG/T 342—2012）[10]第6.3.1條：護欄最大的相對水平位移值不應大于30 mm。

經欄桿水平位移驗算表明：欄桿水平位移超出規(guī)范限值要求。

6 玻璃棧道加固后荷載試驗

玻璃棧道懸臂梁（共計67根：長度介于1.4～1.6 m之間）錨入巖體中的具體深度無法明確。因懸臂梁是工程關鍵受力構件，也是風險管控最重要的構件，為安全起見現(xiàn)場對懸臂梁采用間隔加筋加腋加固。為了增加欄桿體系整體穩(wěn)定性，現(xiàn)場對半數(shù)欄桿預埋件底部加焊鍍鋅鋼板，同時鋼板通過化學錨栓錨進梁體中進行加固。加固后選取長度較長、受荷面積較大的懸臂梁進行靜載荷試驗；加固后選取欄桿進行水平推力試驗，驗證以上加固措施的有效性。

6.1 懸臂梁靜載荷試驗

為了檢驗懸臂梁加固后施工質量以及受力性能和承載能力，選取15/W-N懸臂梁作為靜載試驗對象，對其撓度進行測試（詳見圖10）?，F(xiàn)場采用水袋分級加載，選擇實驗參數(shù)如下：受力區(qū)域為1.5×1.4=2.1 m2，根據(jù)《玻璃棧道工程技術規(guī)程》（T/CECS 896—2021）[4]考慮棧道開放期間將采取適當限流措施，故取人群荷載標準值4.0 kN/m2，所以總加載力取8.2 kN。現(xiàn)場采用水袋法進行五級加載，三級卸載。

圖10 懸臂梁現(xiàn)場靜載荷試驗Fig. 10 Field static loading test of cantilever beam

加載前在懸臂梁端部粘緊十字反光貼；加載過程中，采用高精度全站儀對懸臂梁端部撓度值進行觀測和記錄。每級加載后利用靜止時間檢查結構構件，未發(fā)現(xiàn)明顯開裂、屈服、屈曲的跡象。達到滿級荷載8.2 kN后，每隔15 min測取一次變形值，持荷1 h，各級荷載等級下實測撓度詳見表1。

表1 靜載試驗結果匯總表Table 1 Results of static loading tests

由試驗數(shù)據(jù)可知，實測撓度值小于結構長度的1/250，滿足《混凝土結構設計規(guī)范》（GB 50010—2010，2015版）[9]第3.4.3條對混凝土結構懸臂端撓度限值的規(guī)定。

6.2 欄桿水平推力試驗

為了檢驗棧道欄桿的施工質量和承載能力，選取14-16/W軸水平欄桿作為試驗對象，對其水平位移進行測試（詳見圖11）?，F(xiàn)場采用均布荷載進行分級加載，加載相關實驗數(shù)據(jù)如下：現(xiàn)場選取剛度大、平整順直的木條作為荷載傳遞介質，木條寬20 cm，長度194 cm，厚度5 cm。欄桿水平推力取2.0 kN/m，選擇總加載力為3.88 kN?，F(xiàn)場采用加載量程為10 kN的千斤頂進行五級加載，三級卸載，分級加/卸載值取總加載值算術平均值。

圖11 欄桿水平推力現(xiàn)場試驗Fig.11 Horizontal thrust field test on railing

加載前在水平欄桿頂部粘緊十字反光貼。加載過程中，采用高精度全站儀對十字絲位移值進行觀測和記錄。每級加載完畢后保持15 min，未發(fā)現(xiàn)明顯屈服、屈曲的跡象。達到滿級荷載3.88 kN后，每隔15 min測取一次變形值，持荷1 h，各級荷載等級下實測位移詳見表2。

表2 水平推力試驗結果匯總表Table 2 Results of horizontal thrust test

由試驗數(shù)據(jù)可知，欄桿水平位移最大值為10.14 mm，滿足《建筑用玻璃與金屬護欄》（JG/T 342—2012）[10]第6.3.1條：護欄最大的相對水平位移值不應大于30 mm。

6.3 玻璃棧道行人面板加固

玻璃棧道玻璃行人面板位于谷口時，風荷載作用效應大于抗力效應，不滿足要求，后續(xù)根據(jù)加固設計單位的意見將谷口附近玻璃行人面板均更換為現(xiàn)澆混凝土板，確保安全；加強對一般部位玻璃行人面板與鋼筋混凝土梁連接處結構膠的檢查，確保連接的有效性。

7 結 論

（1）根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行懸臂梁抗彎強度、抗剪強度、撓度及裂縫寬度驗算結果，表明以上項目均滿足要求。

（2）根據(jù)玻璃棧道行人面板在谷口位置及一般位置風荷載驗算結果，表明在不考慮結構膠有利作用效應的情況下谷口位置風荷載作用效應遠大于抗力效應，一般位置風荷載作用效應略大于抗力效應。以上驗算結果與現(xiàn)場玻璃行人面板在谷口位置被掀起、一般位置未被掀起的情況吻合。

（3）棧道欄桿水平位移驗算結果表明其水平位移超限，即水平抗推剛度不滿足要求。以上驗算結果與現(xiàn)場欄桿受人群水平推力后晃動的實際情況吻合。

（4）懸臂梁錨固端及欄桿根部加固處理后的荷載試驗結果表明，經加固處理懸臂梁的撓度及欄桿的水平位移都滿足要求，表明加固處理的效果顯著。

（5）本文的驗算方法及荷載試驗合理、有效，可為類似未批先建的棧道驗算、加固提供參考。