基于荷載試驗和承載能力檢算的某地錨式懸索橋工作性能分析

■陳 鵬

（福建省交通科學技術研究所，福州 350004）

基于荷載試驗和承載能力檢算的某地錨式懸索橋工作性能分析

■陳 鵬

（福建省交通科學技術研究所，福州 350004）

本文以某雙塔鋼結構懸索橋為對象，先進行外觀檢查和無損檢測，然后采用有限元分析軟件建立理論模型，進行荷載試驗，將實測值與理論計算值進行對比，并結合相關規范對該橋進行承載能力檢算分析，以評價該橋工作性能是否符合要求，對其他同類橋梁的工作性能評價具有參考意義。

地錨式懸索橋 索力 有限元分析 荷載試驗 承載能力檢算 工作性能

1 概述

懸索橋是以通過索塔懸掛并錨固于兩岸（或橋兩端）的纜索作為上部結構主要承重構件的橋梁，其中纜索通過錨碇固定在兩岸地基中者為地錨式，纜索固定在懸索橋剛性梁端部者稱為自錨式。由于懸索橋可以充分利用材料的強度，并具有用料省、自重輕的特點，因此它在各種體系橋梁中的跨越能力最大，跨徑可以達到1km以上。主要缺點是剛度小，在荷載作用下容易產生較大的撓度和振動。本文的研究對象某雙塔鋼結構人行懸索橋為地錨式，橋梁全長110.3m，跨徑設置為17.65m+75m+ 17.65m，橋面全寬3.44m，凈寬2.5m，主跨矢高8.82m，矢跨比1/8.5。每邊主索采用7φ42（7×19）高強度鍍鋅鋼絲繩，共14根，鋼絲抗拉強度δp=1600MPa；吊桿采用φ42光圓鋼筋；橋面系采用A3型鋼；抗風索采用φ32.5（6× 37）有機物芯鋼絲繩；索墩、索塔采用C30鋼筋混凝土，錨碇臺采用C25混凝土，基礎和抗風索錨碇臺采用C20混凝土。設計荷載：人群荷載3.5kN/m2，通行拖拉機。洪水設計為50年一遇。為了解橋跨結構的技術狀況，評價結構在荷載作用下的工作性能，檢驗橋跨結構是否滿足原設計荷載等級要求，我們對該橋進行了試驗檢測，以下重點介紹下其荷載試驗和承載能力檢算分析。圖1為人行懸索橋總體布置和測試截面示意圖。

2 靜載試驗

2.1 靜載試驗工況及檢驗對象

圖1 某雙塔鋼結構人行懸索橋總體布置、構件編號和測試截面示意圖（單位：m）

根據橋跨結構受力特點，確定各跨試驗工況，具體見表1，主要測試截面見圖1。然后根據該橋施工設計圖紙和現場實測資料，應用有限元計算軟件進行建模計算。其中主纜與主塔頂通過建立主從關系，固定在主塔頂上，成橋后不允許發生相對位移，主纜在兩端做固定處理；兩主塔基礎為嵌巖基礎，塔身底部按固結處理；抗風索端部也按固結處理；然后通過非線性迭代計算分析對各單元添加初始內力，使之形成有一定初始內力和剛度，位移為零的成橋狀態。在此基礎上再對該橋進行動力分析和各荷載工況的計算分析。橋梁模型見圖2。

以設計標準活載產生的該試驗項目的最不利效應值等效換算，確定所需的試驗荷載和加載方式，即采用在橋面上布置水袋的方式，注水進行等效加載。水袋橫截面規格為寬×高=2.5m×0.5m，水袋長度和注水高度則根據每個加載工況布置不同的長度，詳見表1。該橋的靜載試驗荷載效率η滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/T J21-2011）的規定要求。

圖2 某空腹式雙曲拱橋模型圖

2.2 測點布置

（1）橋面撓度：在Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ截面上下游側欄桿位置布設塔尺，采用精密水準儀測量，撓度測點布置見圖3。

表1 試驗測試內容和加載方式（單位：m）

（2）索塔塔頂縱向位移：在1#索塔塔頂選擇固定測點，采用全站儀測量，位移測點布置見圖4。

（3）吊桿拉力：在7#和7’#吊桿表面粘貼加速度計，采用INV智能信號采集處理分析系統測試。

圖3 Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ截面撓度測點布置圖

圖4 1#索塔塔頂縱向位移測點布置圖

2.3 靜載試驗結果及分析

2.3.1 橋面撓度測試結果與分析

在工況1荷載作用下，第2跨Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ截面的實測撓度及其與理論計算值的比較如表2所示。可以看出，第2跨最大撓度絕對值之和的校驗系數為0.91，小于《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/T J21-2011）規定的限值1.00，相對殘余變位最大值為13.5%，小于該規程的規定值20%。

2.3.2 索塔塔頂位移測試結果與分析

在工況2荷載作用下，1#索塔塔頂的縱向位移實測值及其與理論值的比較如表3所示。可以看出，1#索塔塔頂的兩個測點最大縱向位移的校驗系數為 0.85和0.88，均小于 《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/T J21-2011）規定的限值 1.00，相對殘余變位最大值為11.0%，小于該規程的規定值20%。

2.3.3 吊桿拉力測試結果與分析

在橋址附近無規則振源情況下，采用振動法，在7#和7’#吊桿表面粘貼加速度計，應用INV智能信號采集處理分析系統，分別測定7#和7’#吊桿在恒載和工況3荷載作用下引起的振動響應，將實測的加速度信號經過頻譜分析，得到吊桿的前n階頻率。根據實測的前n階頻率，考慮吊桿邊界條件和抗彎剛度，計算得到拉力值。拉力計算公式如下：

表2 第2跨各控制截面撓度分析表（單位：cm）

表3 1#索塔塔頂縱向位移測試分析表（單位：mm）

吊桿一端鉸支一端固結：

其中，ξ=（F/EI）1/2×l，l=6.17m為吊桿長度，EI為吊桿的抗彎剛度，E=2.06e+8kN/m2，I=8.245e-8m4，F為吊桿拉力，m=7.989kg/m為吊桿單位長度的質量，fn為吊桿的第n階頻率。該橋吊桿邊界條件可視為兩端鉸支。

在恒載作用和工況3荷載作用下，7#和7’#吊桿的基頻、拉力實測值及其與理論值的比較如表4所示。

從表4可以看出，在恒載和工況3荷載作用下，7#和7’#吊桿的拉力實測值與理論值均較為接近，兩者偏差最大為9.0%；恒載作用下兩根吊桿的安全系數均為27.4，工況3荷載作用下兩根吊桿的安全系數分別為7.1和6.9，表明該吊桿的安全儲備較為充裕。

3 自振特性試驗

在邊跨四等分截面和中跨八等分截面相對應的橋面上，沿右側放置脈動測點傳感器。在橋面無任何交通荷載以及橋址附近無規則振源的情況下，測定橋跨結構由于橋址處風荷載、地脈動等隨機荷載激振而引起的橋跨結構微小振動響應，測試分析橋跨結構自振頻率、振型和阻尼比等自振特性。

3.1 豎向自振特性結果分析

實測的信號經FFT分析、模態分析，得到該橋實測豎向1階自振頻率為0.622Hz，大于理論計算值0.607Hz，實測阻尼比為0.96%，實測振型與理論計算振型較為一致，如圖5所示。

3.2 橫向自振特性結果分析

實測的信號經FFT分析、模態分析，得到該橋實測橫向1階自振頻率為0.605Hz，大于理論計算值0.593Hz，阻尼比為1.56%，實測振型與理論計算振型較為一致，如圖6所示。

4 主索承載能力檢算

4.1 檢算目的

檢算該橋主索是否滿足設計荷載等級下的強度要求，檢算內容為主索在承載能力極限狀態下的作用效應組合和相應的承載力等。

表4 7#和7’#吊桿拉力測試分析表（單位：kN）

圖5 豎向1階實測與理論振型比較

圖6 橫向1階實測與理論振型比較

4.2 檢算資料

（1）永久作用：為結構重力，包括主索、吊桿、索夾、加勁梁和橋面系等；

（2）可變作用：包括該橋設計荷載和溫度作用，其中溫度作用為：溫升+25℃，溫降-10℃；

主索采用7φ42（7×19）高強度鍍鋅鋼絲繩，面積A= 7×π×（42/2）2=0.009698m2，鋼絲抗拉強度 δpk=1600MPa，δpD=容許應力限值[σ]=1280MPa；利用有限元軟件建立的模型，考慮上述作用效應進行分析計算。

4.3 檢算結果

承載能力檢算公式為：F/A≤Z1[σ]，其中F為考慮作用效應組合的索力設計值，Z1為承載能力檢算系數。由荷載試驗結果可知，該橋主要測點校驗系數最大值為0.91，當進行荷載試驗時，取試驗后的承載能力檢算系數Z2代替Z1進行檢算。根據《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/T J21-2011）可得Z2=0.995。該橋主索的強度檢算結果見表6。

從表6可以看出，在承載能力極限狀態荷載基本組合作用下，該橋主索的拉應力小于其容許應力限值，安全系數K為16.8，表明該橋主索滿足設計荷載等級下的強度要求。

表6 主索強度檢算

5 結論

（1）第 2跨最大撓度絕對值之和的校驗系數為0.91，1#索塔塔頂兩個測點最大縱向位移的校驗系數為0.85和0.88，均小于《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/T J21-2011）規定的限值1.00，相對殘余變位最大值為13.5%，小于該規程的規定值20%。

（2）7#和7’#吊桿的拉力實測值與理論值均較為接近，兩者偏差最大為9.0%；恒載作用下兩根吊桿的安全系數均為27.4，工況3荷載作用下兩根吊桿的安全系數分別為7.1和6.9，表明該吊桿的安全儲備較為充裕。

（3）該橋實測豎向和橫向1階自振頻率為0.622Hz和0.605Hz，均大于其相應理論計算值0.607Hz和0.593Hz；實測阻尼比為0.96%和1.56%，實測豎向和橫向振型與理論計算振型均較為一致。

（4）在承載能力極限狀態荷載基本組合作用下，該橋主索的拉應力小于其容許應力限值，安全系數K為16.8，表明該橋主索滿足設計荷載等級下的強度要求。

綜上所述，該橋跨結構工作性能狀況良好，滿足原設計荷載等級要求。

[1]人行懸索橋參數分析與優化設計[D].杭州：浙江大學，2010.

[2]彭大文.福州江心公園懸索橋的設計構思[J].福州大學學報（自然科學版）,1996，24（4）：44～48.

[3]吳坤平.大跨度懸索橋動力特性計算及參數分析[D].長沙：長沙理工大學，2007.

[4]用MIDAS做懸索橋分析.

[5]JTG D60-2015,公路橋涵設計通用規范[S].

[6]JTG/T J21-2011,公路橋梁承載能力檢測評定規程[S].