某人行懸索橋靜力荷載試驗研究

馬曉坤

摘 要：以某人行懸索橋工程的靜力荷載試驗為例，分析了靜載試驗的具體內(nèi)容和有限元模型、測試截面、測點(diǎn)布置、試驗荷載布置方式等試驗方法，并且介紹了跨中截面撓度、塔頂縱橋向水平位移、主纜錨跨索股最大張力增量等靜載數(shù)據(jù)的分析方式，希望能為同類型工程開展靜力荷載試驗工作提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；人行懸索橋；荷載試驗；有限元

中圖分類號：U448? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2096-6903（2024）05-0119-03

1 工程概況

該橋位遂昌縣王村口5A景區(qū)專用的觀景平臺。索橋具有結(jié)構(gòu)新穎、線型流暢的景觀特點(diǎn)。上部結(jié)構(gòu)采用雙索面地錨式懸索橋，跨徑60 m，橋梁全寬2.2 m，凈寬2 m。主纜采用雙索面布置，每根主纜由7股6×19W+IWRΦ30 mm鋼芯熱鍍鋅鋼絲繩捆扎而成。全橋共58根吊索，縱向間距為2 m，吊索采用1×37 s +IWRΦ16 mm鋼絲繩。主纜及吊索鋼絲繩公稱抗拉強(qiáng)度1 870 MPa。加勁梁鋼材均采用Q355鋼，全橋共2個搭接段，9個橋中段，各段之間采用高強(qiáng)螺栓連接[1]。

2 靜載試驗內(nèi)容及方法

2.1 靜載內(nèi)容

本次橋梁靜載荷試驗測量橋梁結(jié)構(gòu)在靜力試驗荷載作用下的變形和索力變化。主要測試項目有：①加勁梁跨中截面的最大撓度（位移）。②塔頂縱橋向水平位移。③主纜錨跨索股張力增量。

2.2 有限元模型

采用Midas Civil程序建立模型進(jìn)行了結(jié)構(gòu)靜力、活載效應(yīng)、加載效率的計算。懸索橋建模對于索纜找形極其敏感，建模中所采用的參數(shù)設(shè)置如下：①混凝土。索塔及橋臺采用梁單元，主纜及吊桿采用索單元進(jìn)行模擬，在POSTCS階段轉(zhuǎn)換為只受拉壓的桁架單元，以考慮成橋內(nèi)力對索彈模的修正。②主纜和吊索均按照公稱抗拉強(qiáng)度和單股破斷力進(jìn)行有效受力面積、容重的換算，主纜等效直徑為53.431 mm，材料容重為113.948 kN/m3。吊索等效直徑為12.239 mm，材料容重為102 kN/m3。鋼絲繩彈性模量采用1.2×105 MPa。③模型中采用釋放梁端約束進(jìn)行橋段間高強(qiáng)螺栓連接的模擬。④除吊索及主纜自重外，全橋主體結(jié)構(gòu)（含護(hù)欄等附屬構(gòu)件）按照設(shè)計文件材料重量進(jìn)行了計算，折合3.6825 kN/m，模型中均按照自重或二期恒載的方式施加在3道縱向加勁梁上。⑤經(jīng)現(xiàn)場勘察，橋面預(yù)拱度30 cm，已體現(xiàn)在模型中，并且主纜根據(jù)實(shí)際橋面線形進(jìn)行了非線性分析找形。⑥設(shè)計荷載：該橋僅限人行，人群荷載為2.5 kN/m2。⑦設(shè)計風(fēng)荷載與風(fēng)纜水平分量平衡進(jìn)行兩側(cè)風(fēng)纜的非線性分析找形，然后與主梁模型進(jìn)行合并并進(jìn)行索纜體系平衡驗證。懸索橋有限元模型如圖1所示。

2.3 測試截面

該橋為懸索橋，故試驗跨選擇中跨。主要工況為加勁梁跨中最大撓度工況I，測試截面為跨中截面。

2.4 測點(diǎn)布置

測點(diǎn)布置示意圖中“×”表示測點(diǎn)位置，其中L表示跨中撓度測點(diǎn)，D表示塔頂縱橋向水平位移測點(diǎn)，S表示索力測點(diǎn)。試驗橋測點(diǎn)布置示意圖如圖2所示。

2.5 試驗荷載布置方式

試驗荷載采用14個1 000 L水囊，尺寸為（1.5 m×1 m ×0.7 m）、8個400 L水箱，尺寸為（0.98 m×0.76 m×0.68 m）現(xiàn)場裝水模擬設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)荷載，并不致對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生超出設(shè)計范圍的局部荷載。試驗前對每個水箱進(jìn)行水量標(biāo)記并編號。

為了防止試驗期間對結(jié)構(gòu)造成損傷，就某一加載試驗工況而言，其靜載試驗分為三級加載，一級卸載。加載方式為單級逐級加到最大荷載，然后卸載至零荷載。試驗荷載布置示意圖如圖3所示。

3 靜載數(shù)據(jù)分析

3.1 跨中截面撓度

工況1作用下控制截面撓度實(shí)測值與理論值的對比情況詳見表1。分析可得：在試驗荷載作用下，橋梁控制截面實(shí)測撓度小于理論計算值，撓度校驗系數(shù)為0.81，小于1.0，滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21-2011）中的相關(guān)要求，表面橋梁實(shí)際剛度與理論相符[2]。

卸載后，最大相對殘余位移為4.5%，未超過20%，滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》規(guī)定的相對殘余應(yīng)變不大于20%的要求，表明結(jié)構(gòu)控制截面在試驗過程中處于較好的彈性工作狀態(tài)。

3.2 塔頂縱橋向水平位移

工況1作用下南側(cè)塔頂、北側(cè)塔頂?shù)目v橋向水平位移實(shí)測值與理論值的對比情況詳見表2。分析可得：在試驗荷載作用下，南側(cè)塔頂、北側(cè)塔頂?shù)膶?shí)測縱橋向水平位移小于理論計算值，縱橋向水平位移校驗系數(shù)最大值為0.68，小于1.0，滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）中的相關(guān)要求，表面索塔實(shí)際剛度與理論相符。

卸載后，最大相對殘余位移為4.6%，未超過20%，滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》規(guī)定的相對殘余位移不大于20%的要求，表明索塔結(jié)構(gòu)在試驗過程中處于較好的彈性工作狀態(tài)[3]。

3.3 主纜錨跨索股最大張力增量

工況1作用下南側(cè)、北側(cè)主纜測點(diǎn)索力增量實(shí)測值與理論值的對比情況詳見表3。分析可得：在試驗荷載作用下，南側(cè)、北側(cè)主纜測點(diǎn)索力增量實(shí)測值均小于理論計算值，南北側(cè)校驗系數(shù)最大值為0.59，小于1.0，滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）中的相關(guān)要求，表面主纜實(shí)際工作狀態(tài)與理論相符。

卸載后，最大相對殘余為16.6%，未超過20%，滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》規(guī)定的相對殘余不大于20%的要求，表明結(jié)構(gòu)在試驗過程中處于較好的彈性工作狀態(tài)。

4 結(jié)束語

根據(jù)靜載試驗的實(shí)測數(shù)據(jù)可以看出，橋梁承載能力滿足設(shè)計荷載的使用要求。本文有限元模型建立合理，各項參數(shù)設(shè)置、邊界條件模擬與實(shí)際橋梁契合度良好。本橋荷載試驗?zāi)Ｐ徒⑴c工況選擇可以為以后類似工程研究提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 張欣，劉勇.大跨度人行懸索橋靜動力特性研究[J].公路工程，2019，44（3）：74-79.

[2] 王體印.人行懸索橋動荷載試驗技術(shù)研究[J].價值工程，2016， 35（12）：161-163.

[3] 司瑞.人行懸索橋驗收性荷載試驗[J].安徽建筑，2020，27 （4）：182-183.