人行玻璃懸索橋靜動(dòng)力性能測試分析

張曉明

(鐵正檢測科技有限公司，山東 濟(jì)南 250014)

懸索橋，又名吊橋(suspension bridge)，指的是以通過索塔懸掛并錨固于兩岸的纜索作為上部結(jié)構(gòu)主要承重構(gòu)件的橋梁。懸索橋因?qū)Φ匦蔚倪m應(yīng)性強(qiáng)，構(gòu)造簡單、受力明確的特點(diǎn)而獲得青睞[1]。近幾年，我國許多景區(qū)建造了一大批人行玻璃懸索橋，掀起了建設(shè)人行玻璃懸索橋的熱潮。但是，我國目前還沒有出臺(tái)相關(guān)的質(zhì)量驗(yàn)收行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)檢測手段參差不齊，很難確保橋梁的安全。本文結(jié)合工程實(shí)例，對人行玻璃懸索橋靜動(dòng)力性能展開研究，為同類型橋梁開展荷載試驗(yàn)提供參考。

1 工程概況

某人行玻璃懸索橋位于風(fēng)景區(qū)山腰處，地面高程在458.5～466.3 m之間，南側(cè)位于山腰一巖石崗上，北側(cè)位于山坡中下部。橋梁跨徑組合21.0 m+166.4 m+15.0 m，矢高14.2 m，成橋后中跨垂跨比為1/13.4。橋面凈寬度為1.8 m，橫梁總寬度為2.8 m，主纜橫向間距2.6 m，吊桿順橋向間距為3.2 m。橋面板采用夾膠鋼化玻璃，兩側(cè)設(shè)置防護(hù)欄桿，欄桿采用工廠預(yù)制現(xiàn)場拼接方式。橋梁主塔基礎(chǔ)為擴(kuò)大基礎(chǔ)，錨碇采用重力式錨碇。圖1為橋梁橋跨結(jié)構(gòu)布置，圖2為橋梁現(xiàn)場。

圖1 橋跨結(jié)構(gòu)布置(單位:m)

圖2 橋梁現(xiàn)場

2 測試內(nèi)容

靜力性能主要是通過測試橋梁結(jié)構(gòu)在靜力試驗(yàn)荷載作用下的響應(yīng)，判定結(jié)構(gòu)的承載能力是否滿足要求。測定項(xiàng)目及內(nèi)容為主梁撓度變形和索塔塔頂位移等[2]。

動(dòng)力性能主要通過脈動(dòng)試驗(yàn)、行人試驗(yàn)測定橋梁結(jié)構(gòu)在自然狀態(tài)下和受迫振動(dòng)作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，獲取橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性(自振頻率、振型)及沖擊效應(yīng)(振動(dòng)加速度)性能指標(biāo)，以評價(jià)橋梁的動(dòng)力性能[3]。

3 有限元計(jì)算分析

該橋主要設(shè)計(jì)參數(shù)：人群荷載1.00 kN/m2，基本風(fēng)壓0.50 kN/m2，基本雪壓0.45 kN/m2，主纜及吊索采用公稱抗拉強(qiáng)度為1 670 MPa高強(qiáng)度鍍鋅鋼絲，縱橫梁、鋼墊板、錨塊、索鞍等其他相關(guān)鋼材構(gòu)件均采用Q235C級鋼，橋梁主塔及錨碇均采用C30混凝土，索夾、散索套材料采用牌號(hào)為ZG20Mn的低合金鑄鋼。根據(jù)懸索橋受力特點(diǎn)，借助橋梁工程軟件Midas/Civil 2016，建立全橋有限元模型，得到各試驗(yàn)工況的理論值，為現(xiàn)場試驗(yàn)提供理論數(shù)據(jù)依據(jù)。全橋模擬了4種材料，共建立了2 134個(gè)單元。主梁與橋塔及主纜與橋塔均采用剛性連接。有限元模型如圖3所示。

圖3 全橋有限元模型

有限元部分計(jì)算分析結(jié)果：設(shè)計(jì)人群荷載作用下主梁跨中截面最大撓度324.6 mm；設(shè)計(jì)人群荷載作用下索塔塔頂最大縱向位移8.3 mm。自重作用下水平向一階振型，正對稱側(cè)彎；自重作用下豎向一階振型，反對稱豎彎；自重作用下水平向一階頻率0.30 Hz；自重作用下豎向一階頻率0.53 Hz。

4 靜力性能試驗(yàn)測試分析

4.1 測試斷面與測點(diǎn)布置

根據(jù)主梁在荷載作用下的撓度包絡(luò)圖，確定撓度測量截面為橫截面1、6、11、16、21、25、26、27、31、36、41、46、51(數(shù)字為對應(yīng)的吊索編號(hào))。在實(shí)際測量中，為方便記錄位置，選取最靠近理論計(jì)算控制斷面的吊索作為參照物，選取吊索根部的螺栓作為實(shí)際觀測點(diǎn)。索塔位移測點(diǎn)布置在橋塔頂部，在塔頂測點(diǎn)部位粘貼反射片以方便全站儀進(jìn)行觀察。撓度測點(diǎn)布置如圖4所示。

圖4 橋梁撓度測點(diǎn)布置(單位：m)

4.2 試驗(yàn)載位布置

該懸索橋設(shè)計(jì)人群荷載為1.0 kN/m2，橋面人行通道凈寬度為1.8 m，加載主跨長度為166.4 m，將300 kN作為控制荷載。根據(jù)《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》(JTG/T J21-01-2015)要求，荷載效率控制在0.85～1.05之間，考慮現(xiàn)場實(shí)際情況，試驗(yàn)采用水袋加載，單個(gè)水袋重量為3.55 kN，荷載效率取0.85，現(xiàn)場加載情況見圖5。加卸載采用四級逐次加載、四級逐次卸載的方式進(jìn)行，每級加載完成后持續(xù)15 min以上采集數(shù)據(jù)。第一級：在吊索22至吊索30之間均布18個(gè)水袋，合計(jì)加載64 kN；第二級：在吊索10至吊索14之間、吊索38至吊索42之間各均布9個(gè)水袋，共18個(gè)水袋，合計(jì)加載64 kN；第三級：在吊索3至吊索8處、吊索44至吊索49處，吊索16、吊索18、吊索20、吊索32、吊索34、吊索36處各布1個(gè)水袋，共18個(gè)水袋，合計(jì)加載64 kN；第四級：在吊索3至吊索9兩相鄰吊桿間、吊索43至吊索49兩相鄰吊桿間，吊索15、吊索17、吊索19、吊索33、吊索35、吊索37處各布1個(gè)水袋，共18個(gè)水袋，合計(jì)加載64 kN。一至四級共計(jì)加載256 kN，水袋具體布置位置如圖6所示。

圖5 現(xiàn)場加載

圖6 水袋布置位置

4.3 試驗(yàn)測試結(jié)果分析

4.3.1 撓度測試結(jié)果分析

主梁撓度測量采用高精度水準(zhǔn)儀匹配塔尺進(jìn)行，由于現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)量大，本文只列出第四級加載及卸載完成后的測試數(shù)據(jù)，結(jié)果見表1。

表1 撓度測試結(jié)果

通過表1數(shù)據(jù)分析知，在第四級試驗(yàn)荷載作用下，實(shí)測玻璃懸索橋最大彈性變形為288.8 mm，撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.96～1.06之間。卸載后整體撓度恢復(fù)正常，各荷載工況下主要控制測點(diǎn)(測點(diǎn)11～41)相對殘余變形均在15%范圍內(nèi)。實(shí)測變形規(guī)律與理論變形規(guī)律相符，證明了建模分析的正確性。

4.3.2 塔頂位移測試結(jié)果分析

現(xiàn)場采用全站儀對懸索橋南北兩側(cè)塔柱塔頂在橋面縱向的位移進(jìn)行觀察，將每級加載所測數(shù)據(jù)與有限元模型的理論值進(jìn)行對比分析，如表2所示。通過分析，索塔塔頂縱向水平位移均小于理論值，相對誤差均在15%以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

表2 南側(cè)索塔水平位移測試結(jié)果

5 動(dòng)力性能測試分析

5.1 測試斷面與測點(diǎn)布置

脈動(dòng)試驗(yàn)測試的主要項(xiàng)目為橋跨結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型和阻尼比。脈動(dòng)試驗(yàn)測試部位選在橋跨的八等分點(diǎn)處，每處布置兩個(gè)拾振器，一個(gè)測量豎向加速度，另一個(gè)測量水平加速度。

動(dòng)力響應(yīng)測試采用人群勻速行走、人群勻速小跑、人群急停的方式。傳感器布置在橋跨的L/4、L/2、3L/4處。每處布置兩個(gè)拾振器，一個(gè)測量豎向加速度，另一個(gè)測量水平加速度。

5.2 測試方法

橋跨結(jié)構(gòu)脈動(dòng)試驗(yàn)及動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)選用941B加速度傳感器，匹配DH5922N型動(dòng)態(tài)信號(hào)測試分析系統(tǒng)和筆記本電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

5.3 結(jié)構(gòu)自振特性測試分析

現(xiàn)場測試共獲得了前6階實(shí)測振型，限于篇幅這里只給出水平一階和豎向一階振型圖，見圖7。前6階自振特性參數(shù)測試結(jié)果詳見表3。

圖7 實(shí)測振型

表3 特性參數(shù)測試結(jié)果

從實(shí)測頻率、振型分析得到該橋動(dòng)力特性：①該橋基頻為0.34 Hz體現(xiàn)了懸索橋柔性結(jié)構(gòu)的特性；②第一振型為一階正對稱側(cè)彎，說明懸索橋側(cè)向剛度較小，橫橋向易出現(xiàn)振動(dòng)；③我國《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》(CIJ69-95)要求人行橋基頻不小于3 Hz，前三階實(shí)測頻率均小于3 Hz可能會(huì)引發(fā)人致振動(dòng)問題。

5.4 結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)測試分析

行人正常行走的步頻介于1.6 Hz(慢走)和2.4 Hz(快走)之間，平均值大約是2 Hz，步長約 0.6 m，求得勻速行走的速度為1.2 m/s，同時(shí)考慮到人群跑動(dòng)的情況，最終采用1.2 m/和3.0 m/s兩種速度開展動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)。該橋?qū)拑H1.8 m，最多允許人員雙排通行，考慮該橋?qū)嶋H情況并結(jié)合規(guī)范[4-5]，最終采用4名成人、10名成人兩種人群荷載開展動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)；動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)工況見表4。

表4 動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)工況

動(dòng)力響應(yīng)測試的最終目的是對舒適性進(jìn)行評價(jià)，但目前國內(nèi)并沒有相應(yīng)的行業(yè)規(guī)范，這里參照德國《人行橋設(shè)計(jì)指南EN03》[6]進(jìn)行舒適度評價(jià)。德國EN03規(guī)范采用橋梁自振頻率與行人承受的峰值加速度限值結(jié)合法判別舒適度等級[7]，首先驗(yàn)算人行橋的自振頻率是否在豎向1.25～2.30 Hz、橫向0.20～1.20 Hz敏感頻率范圍以內(nèi)，然后驗(yàn)算峰值加速度。本次檢測所得自振頻率在豎向0.41～0.80 Hz、橫向0.34～1.04 Hz范圍之內(nèi)，因此只對橋梁橫向振動(dòng)做舒適度分析。表5為德國EN03規(guī)范舒適度指標(biāo)。表6為動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)測試分析結(jié)果。

表5 德國EN03規(guī)范舒適度指標(biāo)

由表6可知：根據(jù)德國EN03規(guī)范，4人行走、10人行走，舒適度等級為中度舒適；4人小跑、4人小跑至跨中急停、10人小跑、10人小跑至跨中急停舒適度等級為不舒服。

表6 動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)測試分析結(jié)果

6 結(jié)論與建議

(1)該人行玻璃懸索橋索塔塔頂水平位移均小于理論值，相對誤差均在15%以內(nèi)，說明索塔剛度較好，滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。該人行玻璃懸索橋撓度測試實(shí)測變形規(guī)律與理論變形規(guī)律相符，證明了建模分析的正確性。滿級荷載作用下?lián)隙刃ｒ?yàn)系數(shù)在0.96～1.06之間，主要控制測點(diǎn)相對殘余變形均在15%范圍內(nèi)，撓度校驗(yàn)系數(shù)η不滿足規(guī)范中η≤1.0的要求，說明橋跨結(jié)構(gòu)剛度偏弱，其承載力不能滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

(2)該人行玻璃懸索橋基頻為0.34 Hz，體現(xiàn)了懸索橋柔性結(jié)構(gòu)的特性；第一振型為一階正對稱側(cè)彎，說明懸索橋側(cè)向剛度比豎向剛度弱，橫橋向易出現(xiàn)振動(dòng)；前三階實(shí)測頻率均小于3 Hz，該橋可能會(huì)引發(fā)人致振動(dòng)問題。

(3)根據(jù)德國EN03規(guī)范，在不同的工況作用下，該人行玻璃懸索橋舒適度等級分別評為中度舒適、不舒服。該人行玻璃懸索橋舒適度評價(jià)結(jié)果整體較差。

(4)該人行玻璃懸索橋的承載力不滿足設(shè)計(jì)要求應(yīng)進(jìn)行加固處理或降低荷載標(biāo)準(zhǔn)使用。如采用降低荷載標(biāo)準(zhǔn)的手段，其最大荷載標(biāo)準(zhǔn)建議控制在設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)的80%以內(nèi)，為了保證橋梁結(jié)構(gòu)安全，必須配備專職人員控制游客數(shù)量，同時(shí)加大橋梁日常檢查和定期檢查的頻率，橋梁出現(xiàn)異常情況，應(yīng)及時(shí)封閉，查明原因，采取措施。

(5)該人行玻璃懸索橋僅在橋左右兩側(cè)各設(shè)置了3道防風(fēng)纜，未設(shè)置專門的抗風(fēng)纜及風(fēng)拉索，這是造成舒適度評價(jià)結(jié)果較差的主要原因。舒適度狀況較差，容易造成旅客心理恐慌，從而帶來安全隱患，建議該橋增設(shè)專門抗風(fēng)纜及風(fēng)拉索，提高橋梁結(jié)構(gòu)的豎向剛度、橫向剛度及扭轉(zhuǎn)剛度。增設(shè)以后重新進(jìn)行舒適度評價(jià)。