景区人行玻璃悬索桥荷载试验分析研究
1 工程概况
某景区为进一步提升旅游质量，在景区内修建一座景观玻璃桥，设计为主跨178m的悬索桥。主缆采用单侧纵向121根ϕ7平行钢丝，主缆间中心间距为2.88m, 中跨设置吊索，吊索与横梁为螺栓式连接。
主梁由下部的横梁和上部梁格体系方钢构成，横梁长3.08m, 人行道宽度2.2m。下部横梁采用200×200×6方钢组焊，横梁顺桥向间距3.0m。上部采用150×100×5方钢组焊焊接形成玻璃箱体框架，以提高主梁刚度和稳定性。箱体框架间距以3.0m为一个标准段，吊索横向间距2.88m, 吊索采用螺栓与吊梁连接锚固于栏杆外侧吊梁处；吊梁端部焊接耳板，用于锚固抗风拉索的上端动滑轮组。桥面为3层钢化玻璃桥面板，其接缝处留20mm间距以防碰撞。为提高耐久性，在钢化玻璃间隙间采用玻璃胶密实。桥梁设计荷载为人群荷载1.5kN/m2(全桥限290人),桥梁示意见图1。
为保证结构的抗风稳定性，在桥面下方设置抗风索，通过抗风索将桥面系与抗风锚固桩连接。
2 荷载试验内容
本项目桥梁为景区景观玻璃悬索桥，由于该桥采用玻璃桥面，自重较轻，桥体刚度小，计算复杂；且位于人流较为密集的景区游乐园。该桥运营后承受的荷载主要为人群荷载、风荷载、温度荷载。为进一步验证桥梁的承载能力是否满足设计荷载要求，本试验主要分析人群荷载作用下结构的受力性能，具体试验项目及内容 [1,2,3,4]见表1。
图1 桥梁平、立面布置示意图/cm
荷载试验工况测试项目 表1
工况 |
试验工况 | 主要测试内容 | 控制截面 |
1 |
主梁跨中截 面最大位移 |
纵梁应力、桥面 挠度、主缆变形 |
A-A |
2 |
索塔塔顶纵向偏位 | 纵向位移 | B-B |
3 有限元分析计算
根据该桥的结构受力特点，采用MIDAS Civil悬索桥建模助手建立全桥三维有限元模型如图2所示。主缆、吊索采用桁架单元、加劲梁采用梁单元、玻璃面板采用板单元，桥塔与加劲梁连接处、玻璃面板与横梁连接处边界均采用弹性连接中刚性支承，全桥有限元模型共计1 198个节点，942个单元。索塔采用C40混凝土、吊索为Q235钢筋、加劲梁为Q235方钢、桥面为33mm厚的3层钢化玻璃。
桥梁计算模型根据施工图纸尺寸建立，材料强度按规范取用；根据施工图纸，计算活荷载为设计人群荷载1.5kN/m2。分别计算试验荷载对结构控制截面产生的最不利变形，并按此变形值进行等效加载。有限元模型见图2,3,荷载试验加载效率见表2。
图2 结构有限元计算节点模型图
图3 人群荷载作用下结构位移变形/mm
静力荷载试验加载效率 表2
序号 |
计算内容 | 理论计算值 |
1 |
主梁跨中截面最大挠度/mm | -271.40 |
2 |
索塔塔顶最大纵向偏位/mm | 8.56 |
3 |
加劲梁跨中截面最大应变/με | 158 |
4 |
吊索最大索力增量/kN | 6.5 |
4 荷载试验加载措施
由于该桥跨径较大，设计均布荷载加载总质量较大，实施上有难度，现场试验采用等代荷载法进行加载；且该桥为人行桥，无法使用车辆加载，考虑该桥下方为水塘，取水方便，最终选用水袋作为加载重物，为避免荷载集中对结构的不利影响，选取在跨中36m范围内进行均布加载(图4),水袋尺寸为28cm×28cm×28cm, 单个水袋容量为20L,具体布置见图5,6。
图4 跨中最大挠度加载示意图/cm
图5 水袋加载平面布置示意图/cm
图6 跨中截面水袋均布加载
就某一加载试验项目而言，其所需加载物的数量，将根据设计标准活荷载产生的该加载试验项目对应的控制截面内力或变位等最不利效应值，按下式所确定的原则等效换算而得 [5]。
0.85<η=Sstate(1+μ)s<1.050.85<η=Sstate(1+μ)s<1.05
式中：Sstate为静载试验荷载作用下，某一加载试验项目对应的加载控制截面内力或位移的最大计算效应值；s为控制荷载产生的同一加载控制截面内力或位移的最不利效应计算值；η为静载试验效率；μ为按《公路桥涵设计通过规范》(JTG D60—2015)取用的冲击系数值，该桥为人行桥，不考虑冲击系数。
5 测点布置
5.1 应变测点布置
在跨中截面纵梁底面布置应变测点，为避免加载过程中应变漂移，测试采用稳定性较好的振弦式应变计配备专用采集仪进行应变数据采集，具体见图7 [6,7]。
图9 荷载作用下1#点实测应变随荷载 增长的线性相关图
图10 分级加载作用下桥面测点 挠度曲线
图11 满载作用下桥面测点实测挠度与 计算挠度对比曲线
图7 主梁应变测点及桥面挠度测点布置示意图/mm
5.2 挠度测点布置
挠度测点布置在两侧对应吊索位置处，具体见图7。
5.3 索塔纵向位移测点布置
索塔塔顶水平变位测点布置分别在1号索塔、2号索塔顶部，每个塔柱布置1个测点，全桥共布置4个测点。
5.4 主缆竖向位移测点布置
选取试验加载范围内23#～35#吊索对应主缆进行线形变化测量，具体布置位置见图8。测量采用莱卡TS-50全站仪，并在每根吊索对应索夹位置粘贴反光片作为测点。
图8 主缆竖向位移测点布置示意图/mm
6 静力荷载试验结果及分析
6.1 应变测试结果分析
在试验荷载作用下，实测主梁应变值小于理论值，应变校验系数(弹性值/计算值)为0.83～0.85,卸载后相对残余应变为5.62%～7.09%,均小于20%,表明在试验荷载作用下结构强度能满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21—2011)要求 [6,7],测试结果如表3所示，应变随荷载变化曲线如图9所示。
试验荷载作用下主梁应变测试结果 表3
测点 |
实测值/με |
残余值 /με |
相对残余 应变/% |
弹性值 /με |
计算值 /με |
校验 系数 |
||
一级 |
二级 | 三级 | ||||||
| 1# | 71 | 115 | 142 | 8 | 5.62 | 134 | 158 | 0.85 |
2# |
73 | 116 | 141 | 10 | 7.09 | 131 | 158 | 0.83 |
6.2 桥面挠度测试结果分析
荷载作用下主梁实测挠度值均小于计算值、校验系数为0.83～0.94,卸载后测点相对残余变形为4.34%～9.54%,均小于20%。表明结构在试验荷载作用下结构刚度能满足使用要求 [6,7]。由于测试数据较多，选取23#～35#吊索对应位置的桥面测点进行分析，测试结果见表4。分级加载作用下桥面挠度曲线见图10。
根据测试结果，对试验荷载作用下主梁测点实测挠度与控制荷载作用下主梁测点挠度进行对比分析，结果表明，实测挠度曲线与计算挠度曲线吻合，且主要测点实测值均小于计算值，具体见图11。
6.3 主缆挠度变化测试结果分析
选取加载范围内23#～35#吊索对应主缆进行挠度变化测量，实测校验系数为0.87～0.92,实测值均小于计算值，卸载后，相对残余变形为1.17%～9.02%,均小于20%。表明主缆结构在荷载作用下结构刚度能满足使用要求。具体结果见表5,6。
6.4 索塔偏位测试结果分析
荷载作用下索塔实测变形校验系数介于0.83～0.84,实测值均小于计算值，表明索塔结构刚度满足设计要求。卸载后，测试截面测点的相对残余变形为7.16%～8.62%,表明索塔结构在荷载作用下结构刚度能满足使用要求。具体结果见表7,索塔偏位示意见图12。
试验荷载作用下桥面挠度测试结果 表4
位置 |
实测值/mm |
残余值/mm | 相对残余 变形/% |
弹性值/mm | 计算值/mm | 校验系数 | ||
第一级 |
第二级 | 第三级 | ||||||
23#吊索 |
-136.63 | -194.84 | -235.27 | -13.23 | 5.62 | -222.04 | -242.76 | 0.91 |
24#吊索 |
-142.00 | -202.50 | -244.52 | -12.89 | 5.27 | -231.63 | -253.03 | 0.92 |
25#吊索 |
-146.40 | -208.77 | -252.10 | -12.25 | 4.86 | -239.85 | -261.44 | 0.92 |
26#吊索 |
-149.82 | -213.66 | -257.99 | -12.41 | 4.81 | -245.58 | -267.99 | 0.92 |
27#吊索 |
-152.28 | -217.15 | -262.21 | -11.38 | 4.34 | -250.83 | -272.67 | 0.92 |
28#吊索 |
-153.75 | -219.24 | -264.74 | -10.79 | 4.08 | -253.95 | -275.49 | 0.92 |
29#吊索 |
-154.23 | -219.95 | -265.58 | -13.71 | 5.16 | -251.87 | -276.42 | 0.91 |
30#吊索 |
-153.75 | -219.24 | -264.74 | -11.46 | 4.33 | -253.28 | -275.48 | 0.92 |
31#吊索 |
-152.28 | -217.14 | -262.21 | -11.23 | 4.28 | -250.98 | -272.66 | 0.92 |
32#吊索 |
-149.82 | -213.65 | -257.99 | -11.45 | 4.44 | -246.54 | -267.98 | 0.92 |
33#吊索 |
-146.40 | -208.77 | -252.08 | -12.26 | 4.86 | -239.82 | -261.43 | 0.92 |
34#吊索 |
-141.99 | -202.49 | -244.51 | -12.63 | 5.17 | -231.88 | -253.01 | 0.92 |
35#吊索 |
-136.63 | -194.83 | -235.26 | -10.77 | 4.58 | -224.49 | -242.74 | 0.92 |
注：校验系数为弹性值与计算值的比值，表5～8同。
试验荷载作用下右侧主缆挠度实测结果 表5
位置 |
实测值/mm |
残余值/mm | 相对残余 变形/% |
弹性值/mm | 计算值/mm | 校验系数 | ||
第一级 |
第二级 | 第三级 | ||||||
23#吊索 |
-111.12 | -175.14 | -223.60 | -7.54 | 3.37 | -216.06 | -242.76 | 0.89 |
24#吊索 |
-114.91 | -183.43 | -225.33 | -2.63 | 1.17 | -222.67 | -253.03 | 0.88 |
25#吊索 |
-125.63 | -189.49 | -244.90 | -6.99 | 2.85 | -237.91 | -261.44 | 0.91 |
26#吊索 |
-128.13 | -203.00 | -248.70 | -7.51 | 3.02 | -241.19 | -267.99 | 0.90 |
27#吊索 |
-132.42 | -206.22 | -258.64 | -18.65 | 7.21 | -239.95 | -272.67 | 0.88 |
28#吊索 |
-135.61 | -207.23 | -255.82 | -16.12 | 6.30 | -239.68 | -275.49 | 0.87 |
29#吊索 |
-136.6 | -211.3 | -258.90 | -4.59 | 1.77 | -254.31 | -276.42 | 0.92 |
30#吊索 |
-131.44 | -213.83 | -257.63 | -9.67 | 3.75 | -247.93 | -275.48 | 0.90 |
31#吊索 |
-124.52 | -206.62 | -255.92 | -7.78 | 3.04 | -248.12 | -272.66 | 0.91 |
32#吊索 |
-117.33 | -194.00 | -249.45 | -10.90 | 4.37 | -238.50 | -267.98 | 0.89 |
33#吊索 |
-117.81 | -188.43 | -245.56 | -12.83 | 5.22 | -232.67 | -261.43 | 0.89 |
34#吊索 |
-110.62 | -182.00 | -235.36 | -15.18 | 6.45 | -220.12 | -253.01 | 0.87 |
35#吊索 |
-105.53 | -174.42 | -231.36 | -17.69 | 7.65 | -213.61 | -242.74 | 0.88 |
试验荷载作用下左侧主缆挠度实测结果 表6
位置 |
实测值/mm |
残余值/mm | 相对残余 变形/% |
弹性值/mm | 计算值/mm | 校验系数 | ||
第一级 |
第二级 | 第三级 | ||||||
23#吊索 |
-116.80 | -180.70 | -220.30 | -6.67 | 3.03 | -213.629 | -242.76 | 0.88 |
24#吊索 |
-122.00 | -191.00 | -230.10 | -4.90 | 2.13 | -225.197 | -253.03 | 0.89 |
25#吊索 |
-127.00 | -194.00 | -239.60 | -6.92 | 2.89 | -232.682 | -261.44 | 0.89 |
26#吊索 |
-133.10 | -207.00 | -246.40 | -2.53 | 1.03 | -243.871 | -267.99 | 0.91 |
27#吊索 |
-135.50 | -212.10 | -255.60 | -10.20 | 3.99 | -245.403 | -272.67 | 0.90 |
28#吊索 |
-140.10 | -215.40 | -259.50 | -14.31 | 5.52 | -245.186 | -275.49 | 0.89 |
29#吊索 |
-152.90 | -242.30 | -281.45 | -27.14 | 9.64 | -254.306 | -276.42 | 0.92 |
30#吊索 |
-140.10 | -211.50 | -264.30 | -13.61 | 5.15 | -250.687 | -275.48 | 0.91 |
31#吊索 |
-131.80 | -209.30 | -258.40 | -10.28 | 3.98 | -248.121 | -272.66 | 0.91 |
32#吊索 |
-133.70 | -199.30 | -252.30 | -13.80 | 5.47 | -238.502 | -267.98 | 0.89 |
33#吊索 |
-121.70 | -193.80 | -248.40 | -15.73 | 6.33 | -232.673 | -261.43 | 0.89 |
34#吊索 |
-121.70 | -193.20 | -243.73 | -18.55 | 7.61 | -225.179 | -253.01 | 0.89 |
35#吊索 |
-117.80 | -183.40 | -234.78 | -21.17 | 9.02 | -213.611 | -242.74 | 0.88 |
试验荷载作用下索塔偏位测试结果 表7
位置 |
实测值/mm |
残余 值 /mm |
相对残 余变 形/% |
弹性 值 /mm |
计算 值 /mm |
校验 系数 |
||
第一 级 |
第二 级 |
第三 级 |
||||||
| 2-1#塔柱 | -4.23 | -6.50 | -7.83 | -0.56 | 7.16 | -7.27 | -8.65 | 0.84 |
2-2#塔柱 |
-4.05 | -6.47 | -7.79 | -0.61 | 7.83 | -7.18 | -8.65 | 0.83 |
1-1#塔柱 |
4.09 | 6.49 | 7.72 | 0.62 | 8.03 | 7.10 | 8.56 | 0.83 |
1-2#塔柱 |
4.20 | 6.38 | 7.77 | 0.67 | 8.62 | 7.10 | 8.56 | 0.83 |
图12 荷载作用下索塔偏位示意图
6.5 吊索索力增量测试结果分析
选取27#～31#吊索进行试验荷载作用下吊索索力增量测试，实测校验系数为0.87～0.92之间，实测值均小于计算值，卸载后，相对残余变形为1.17%～9.02%,均小于20%。具体结果见表8。
试验荷载作用下右侧主缆挠度实测结果 表8
位置 |
实测值/mm |
残余 值 /mm |
相对残 余变 形/% |
弹性 值 /mm |
计算 值 /mm |
校验 系数 |
||
第一 级 |
第二 级 |
第三 级 |
||||||
| 27#吊索 | 3.3 | 5.1 | 6.1 | 0.4 | 6.54 | 5.7 | 6.5 | 0.88 |
28#吊索 |
3.4 | 5.2 | 6.3 | 0.6 | 9.59 | 5.7 | 6.5 | 0.87 |
29#吊索 |
3.5 | 5.4 | 6.5 | 0.5 | 7.72 | 6.0 | 6.5 | 0.92 |
30#吊索 |
3.3 | 5.1 | 6.1 | 0.3 | 4.93 | 5.8 | 6.5 | 0.89 |
31#吊索 |
3.4 | 5.2 | 6.3 | 0.4 | 6.33 | 5.9 | 6.5 | 0.91 |
7 动力荷载试验结果及分析
7.1 桥梁振动频率分析
桥梁振动频率测试主要是在桥面无任何可变荷载以及桥址附近无规则振源的情况下，通过高灵敏度动力测试系统测定风荷载、地脉动、水流等随机荷载激振而引起桥跨结构的微小振动响应。桥跨结构的振动频率与结构的刚度有着确定的对应关系，因而可以通过振动频率判断桥梁结构的刚度，测试结果见表9。
桥跨结构自振特性参数测试结果 表9
实测频率 /Hz |
计算频率 /Hz |
实测阻尼比 /% |
实测频率计算频率实测频率计算频率 |
0.75 |
0.58 | 3.135 | 1.29 |
7.2 桥梁人致振动舒适度测试
桥梁舒适度的测试主要包括：1)测试单人荷载作用下的响应；2)测试一小群人荷载作用下的响应；3)测试连续移动人行荷载作用下的响应 [8,9,10]。
在人致振动舒适度分析时，行人密度按1.5人/m2计算，步行荷载模型应根据行人密度进行计算，玻璃悬索桥结构的阻尼比宜取0.40%～0.55%。
测试时应采用节拍器等措施，使行人的步频接近关键固有频率，并实现同步(测试采用10个行人进行测试)。具体测试结果见表10。
测试结果 表10
测试工况 |
加速度峰值 /(m/s2) |
舒适度评价 | 备注 |
1人竖向跳跃 |
0.10 | 最佳 | 1)单人平均重量为65kg; 2)测试时抗风缆已经安装完毕 |
1人横向晃动 |
0.08 | 最佳 | |
1人匀速跑步 |
0.08 | 最佳 | |
1人匀速行走 |
0.03 | 最佳 | |
5人匀速行走 |
0.13 | 最佳 | |
10人匀速行走 |
0.15 | 最佳 |
对于人行桥舒适度的要求，目前国内只有河北省颁布的《景区人行玻璃悬索桥与玻璃栈道技术标准》(DB13(J)/T 264—2018)有相关规定，具体见表11。
行人舒适度评价标准 表11
舒适度 等级 |
舒适度 评价 |
竖向峰值加速度 限值/(m/s2) |
侧向峰值加速度 限值/(m/s2) |
CL1 |
最佳 | [0,0.25f 0.78] | [0,0.1] |
CL2 |
合格 | [25f 0.78,min(0.5f 0.5,0.7)] | [0.1,0.15f 0.5] |
CL3 |
不合格 | [min(0.5f 0.5,0.7),∞] | [0.15f 0.5,∞] |
注：f为频率。
根据测试结果，在采用1人竖向跳跃、横向晃动、匀速跑步、匀速行走以及5人匀速行走、10人匀速行走等测试工况下，桥上行人体验舒适度最佳。
8 结论与建议
(1)试验荷载作用下，纵梁应力、桥面挠度、主缆挠度、桥塔偏位、吊索索力增量的实测值均小于计算值，校验系数、残余变形均满足规范要求。
(2)试验荷载作用下，主梁最大挠跨比小于1/300,实测主缆线形(桥面线形)与计算结果吻合较好。
(3)通过现场对人致振动舒适度的测试，在各试验工况下加速度峰值均满足规范相关等级要求，舒适度评价为最佳。
(4)对人行玻璃悬索桥荷载试验加载时可采用小水袋进行加载，能更好地模拟人群均布荷载，且测试效果较好，对类似的工程具有一定的参考意义。
(5)人行玻璃悬索桥多位于旅游景区，人流较大，在设计计算分析时应考虑人群集中分布在桥跨某一区域时的受力分析，并给出具体的限载人流数据，方便运营期管理。
(6)针对人行桥舒适度的评价，目前国内无相关的行业规范，只有河北省地方标准《景区人行玻璃悬索桥与玻璃栈道技术标准》(DB 13(J)/T 264—2018)有相关要求，相关部门应尽快完善相关规范的编制，且应该把人行桥舒适度的评价作为桥梁交竣工验收的依据。
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