對基于監測數據的懸索橋加固技術及其應用分析

于英杰 陳虹尹

1.西華大學建筑與土木工程學院 四川 成都 610039；

2.重慶交通大學土木工程學院 重慶 400074

引言

近年來，我國交通運輸領域基礎設施建設事業處于蓬勃發展階段，截至2021年11月中標“公路橋”項目數量達到1263個，同比上年提高75%。然而在橋梁建設數量逐漸增多的同時，橋梁結構安全日漸成為行業及社會領域關注的熱點問題，基于監測數據進行橋梁結構狀況分析、及時查明安全隱患，輔助完成橋梁結構加固與改造方案的編制，對于橋梁安全運營與交通基建事業發展具有重要現實意義。

1 懸索橋加固體系模型建立

1.1 項目概況

以某懸索橋改造加固項目為例，該橋設計跨度為120m，矢高為12m，矢跨比為1/10，采用雙向4車道形式設計。橋上布設2根主纜，主纜跨徑布置為32.5m+120m+20.5m形式，單根主纜由4股符合GB 8918-2006《重要用途鋼絲繩》標準的鋼絲繩組成；主梁為鋼桁梁，與門型鋼筋混凝土主塔組成空間鋼桁架結構；橋面板為鋼筋混凝土槽形板；錨碇選用重力錨、隧道錨兩種形式。為解決原懸索橋主纜下撓、承載能力不足的問題，該項目經由多種設計方案比較后，最終確定選用一種斜拉索加固方案，取1根斜拉索將其一端錨固在地面，另一端經由塔頂轉向裝置與加勁梁底進行錨固，使該斜拉索可在轉向裝置內部沿垂直方向滑動，并照此錨固形式共設置4根斜拉索形成組合加固體系，以兩兩組合形式在加勁梁處形成對拉結構。

1.2 有限元模型

現有關于懸索橋加固、橋梁安全監測領域的研究成果已初具規模，其中對于橋梁吊拉組合體系加固技術的研究可追溯至1854年，橋梁建造工程師羅勃林因一座懸索橋受風害影響而垮塌這一事件，創新提出一種加勁桁架+斜拉索的組合結構體系，用于彌補懸索橋結構抗彎強度差的缺陷[1]。在此基礎上，國外先后有多座橋梁結構均使用上述吊拉組合結構，運用上述吊拉體系提高橋梁結構的抗振性能，并結合實際測量結果發現由斜拉索承擔恒載的情況下，橋梁主纜曲率小于跨中部位，由此證實斜拉索結構在加固橋梁中發揮的重要作用[2]。當前，國內在借鑒上述橋梁加固方案的基礎上，已先后于南盤江大橋等工程項目中做出成功嘗試，根據結構計算結果獲取斜拉索的張力數值，但考慮到在橋梁結構施工及后續投入運營后可能受溫度、技術水平及主纜下撓等病害影響，導致實際結果與理論計算存在一定出入，加之不同橋梁結構的受力特征相對復雜，如何有效獲取懸索橋的真實受力狀態，并檢驗斜拉索加固體系實際張拉力的加固效果，成為當前亟待解決的問題[3]。

根據上述研究背景與實際監測環節存在的問題，在該項目中整合懸索橋現有結構參數，采用Midas軟件有限元分析軟件建立懸索橋計算模型，選用拉桿單元模擬主纜、吊索，選用梁單元分別模擬主塔、加勁梁、橋面板縱梁以及橫梁，并利用板單元模擬橋面板，將整座橋梁共劃分為22684個單元、15352個節點。在邊界條件設計上，針對主纜錨固部位、塔底部均采用固結方式，對散索鞍處設置斜撐，塔頂加勁梁為單跨簡支結構、沿橋向設有水平約束。

1.3 斜拉索張力計算分析

依據懸索橋結構特征，采用懸鏈線法進行斜拉索張力計算[4]。以處于張拉狀態下的斜拉索為例，將其沿水平、垂直方向長度分別記為l和c，H為斜拉索沿水平方向上形成的分力，單根索重量為q，將水平張力與線密度的比值設為常數α，水平、垂直兩個方向上的長度與水平方向上兩個分力的比值設為常數β，則根據積分方程可分別計算出懸鏈線的長度S、彈性伸長量△S以及無應力索長S0，其計算公式分別為：

在斜拉索索力計算上，將斜拉索視為X1、X2兩根索組合形式，將X1索一端、X2索一端分別設為點A和點C，兩索連接交點設為點B，其中X1沿水平方向長度為l1、垂直方向長度為c1、水平方向上分力為H1，X2沿水平方向長度為l2、垂直方向長度為c2、水平方向上分力為H2，且已知H1=H2，無應力索長為兩根斜拉索相加之和，將線膨脹系數設為a、溫度設為t，則在環境溫度影響下斜拉索的無應力索長相關性計算公式為：

通過整合上述計算結果可知，當在懸索橋上完成斜拉索的張拉處理后，根據現有索力計算結果與兩根索上3個點位坐標值、無應力索長，即可計算出環境溫度、兩索連接部位豎向位移兩因素變動后斜拉索索力的變化量，運用迭代法完成數值求解。

2 加固體系荷載工況及現場測量結果檢驗

2.1 現場位移監測結果

采用荷載試驗對原懸索橋的承載能力進行測試，綜合考慮環境溫度、斜拉索錨固部位的位移量以及橋塔位移三項指標建立荷載工況，利用大橋健康監測系統獲取具體監測數據[5]。其中位移量的影響因素包含以下3種：

2.1.1 主纜溫度位移，在橋塔底部設置溫度傳感器、確定初始狀態下的溫度標準值，已知橋體上設置剛性吊桿，吊桿沿垂直方向的變形量可忽略不計，因此選擇加勁梁頂面標高作為監測面，分別測量不同環境溫度下的頂面標高數值。從中可以觀察到，伴隨環境溫度變化，相鄰吊點處主纜承受的相對豎向位移呈現出不均勻變化趨勢，其影響原因在于溫度場出現復雜變化、影響橋梁內力，且設置在不同方向主纜的相對豎向位移仍存在一定差別，其原因在于兩側主纜矢高存在一定差值，由此影響到主纜的內力分配結果。

2.1.2 主纜荷載位移，在車輛通行過程中將對橋面板施加不同荷載，在車輛經過測點時因加載、卸載的頻繁變化增加局部變形量，分別模擬兩種不同工況下各取一測點進行主纜相對豎向位移、主梁撓度數據的分析，從中可以觀察到，伴隨橋面板上經過車輛重量、數量的遞增，主纜相對豎向位移呈現出由不均勻轉為均勻的特征，其主要影響因素為橋體內力分布特征，且主纜上、下游側的相對豎向位移均呈反向變化；在荷載工況下，主梁最大豎向位移監測結果為-1.4893，與現場試驗測量結果-1.4680之間的相對誤差為1.45%，且該位移量小于規范限值，因此可忽略將其不計。

2.1.3 橋塔位移，由橋塔頂部的索鞍采用固結形式施工，當跨中荷載變化時將使主纜產生一個不平衡水平力，使橋塔沿豎向發生位移，在此過程中主纜將對塔頂傳遞一個豎向力，使橋塔底部出現附加彎矩，加之在車輛施加荷載的影響下，將沿下游方向使橋塔上、下游分別產生0.9～1.8cm范圍內的位移量，但由于該位移量相對數值較小，可將其對于斜拉索索力變化的影響忽略不計。

2.2 加固體系荷載工況分析

綜合上述位移實測結果，以斜拉索、加勁梁的錨固部位為基準，分別計算出不同工況條件下錨固部位的豎向位移量。其中在升溫15℃工況下，兩側錨固部位上游位移量分別為-16.8mm和-38.1mm、下游位移量為-39.7mm和-53.4mm；在降溫25℃工況下，兩側錨固部位上游位移量分別為18.5mm和21.4mm、下游位移量為24.5mm和25.6mm；在車輛對橋面板施加荷載量增大的工況下，兩側錨固部位上游位移量分別為-256.7mm和-287.6mm、下游位移量為-255.7mm和-292.4mm；在升溫15℃、車輛荷載工況下，兩側錨固部位上游位移量分別為-265.4mm和-324.5mm、下游位移量為-298.4mm和-350.1mm；在降溫25℃、車輛荷載工況下，兩側錨固部位上游位移量分別為-228.9mm和-264.7mm、下游位移量為-230.4m和-321.6mm。

根據錨固部位的豎向位移測試結果可知，在升溫、降溫位移數值均相對于15℃，車輛荷載位移均相對于0時，錨固部位上游位移為正、下游位移為負。結合實際橋梁投入使用中的工況條件，還需在測試分析中預留一定的安全儲備值，保證為斜拉索與主纜受力體系、斜拉索與加勁梁受力關系變化情況下的豎向位移分析提供參考價值。在此基礎上，根據斜拉索對于加勁量形成內力的預測分析結果可知，在車輛施加荷載作用下，對于斜拉索產生的豎向支撐力最小為112.1kN，相對于車輛荷載占比約為78%。結合上文中建立的懸索橋仿真模型，模擬最不利工況條件下斜拉索對于加勁梁施加內力的影響情況可知，當斜拉索卸載車輛荷載達到70%時，能夠使懸索橋主纜的安全系數同比提升0.6，并且由此形成的不平衡水平力并不會影響到加勁梁，最終得出斜拉索的張拉力設計值為60kN。

2.3 加固后的測量結果檢驗

考慮到上述仿真分析結果與實測數據之間具有較高的相似度，能夠為斜拉索加固體系的張拉溫度、索力大小計算提供數值參考，并且在獲取懸索橋加固后的實際測量結果與仿真分析結果進行比較，伴隨環境溫度的升高，斜拉索對加勁梁錨固部位提供的豎向力呈現出逐漸減小趨勢，同時上下游對于斜拉索產生的不平衡水平力也呈現出同步減小趨勢，符合仿真分析結果，證明選用斜拉索加固體系的溫度敏感性較低；當環境溫度為25℃時，斜拉索對加勁梁提供的豎向力約為100kN，達到車輛施加荷載作用下的70%，證明在此工況下懸索橋主纜的安全儲備較大，能夠有效抵抗不利因素對整橋結構產生的影響。

待將上述斜拉索體系應用于懸索橋加固工程中后，引入GPS系統在懸索橋主纜、橋塔、加勁梁等部位分別布設測站與具體測量點位，依據20Hz的采樣頻率進行各測點數據的實時采集，并沿垂直方向將實時動態測量精度控制在±20mm+1ppm RMS，即將測量基礎誤差設為20mm，當測點與GPS基站的間距每增加1km，則測量精度將下降1mm，實現動態監測與實時預警功能。分五階進行頻率識別結果的比較，從中可以看出，現場監測數據的頻率識別結果與荷載試驗結果一致性較強，說明監測點位布置合理，且懸索橋動力特征較好。

3 結束語

通過結合某懸索橋加固項目的實際施工要求，建立一種基于監測數據的懸索橋斜拉索加固體系，根據斜拉索張拉力計算公式與溫度、荷載作用下對于斜拉索張拉力和斜拉索索力的影響情況，將其與實際測量結果進行比較，證明該斜拉索加固體系設計方案的技術可靠性，能夠有效實現復雜工況下懸索橋的結構加固與安全穩定運行需求，對于同類橋梁加固及改造施工具備良好示范經驗。