大跨度人行悬索桥静动力性能评价

江志远

(青岛市交通规划设计院，山东青岛 266102)

大跨度人行悬索桥静动力性能评价

江志远

(青岛市交通规划设计院，山东青岛 266102)

对某单跨175 m大跨度人行悬索桥进行线形实测，并对实测线形与设计线形进行误差分析。基于实测线形建立修正有限元模型，确定静力试验工况及加载方式，对结构静力性能进行评价。同时，根据依托工程的实际情况，建立动力分析模型，拟定单人跨中激振及人群过桥激振2种情况评价行人过桥的舒适度。通过静力试验发现:各控制截面主缆实际变形规律与理论一致，跨中最大垂度较理论值小，其他控制点垂度与理论计算较为接近;针对行人过桥时的竖向舒适度进行研究，发现单人激振和人群过桥激振下跨中加速度响应均满足要求。

大跨度悬索桥;有限元模型;结构静力性能;人行桥

本文以某实体工程为例，结合现场检测及静动载试验［3］，进行大跨度人行悬索桥静动力性能评价研究。

1 工程概况

依托工程中的人行悬索桥位于高山峡谷地段，河谷断面呈“V”字型，两岸地势陡峭，山岩裸露，峡谷相对高差在200～350 m。该桥为单跨式悬索桥，由主缆及拉索、悬吊系、桥面系、风缆绳、索鞍、塔架、桥台、地锚8部分组成。单跨跨径为175 m，主缆横向间距为4 m，桥面净宽2．5 m，矢跨比为1/10。桥梁中间由横梁联接，吊杆横梁间距为3 m;桥面系由纵梁、桥面板及栏杆组成;纵梁坐落在桁架横梁上，共8根。桥面板为8 cm厚木板，栏杆为钢栏杆;主缆共2束，分别由36 mm的6×19W+IWR钢丝绳组成;全桥共57组吊索，主缆在桥跨中悬吊吊索及桁架，塔架顶端支撑在索鞍上，地锚处用拉缆套筒与地锚螺杆连接;塔架总高13 m，桥台为混凝土重力式桥台，地锚亦为重力式，如图1所示。

2 建立有限元模型

大跨度人行悬索桥的主缆是其主要承重构件，成桥时的主缆线形由主缆的实际垂度、跨径及成桥时的桥面系自重决定;由于缆索结构存在较大的材料、几何非线性，主缆的成桥线形往往与设计线形存在一定偏差，因此需对桥梁模型进行修正［4-5］，使静动力分析更接近结构的真实状态。主缆上下游实测标高与理论标高误差如图2所示。

图2 主缆上下游实测标高与理论标高偏差

由图2可知，理论与测量结果相差均在±2．5 cm以内。由于桥梁跨度大，桥面柔性较大，桥上横风等对实测线形均有较大影响，可认为线形偏差在合理的范围以内，桥梁线形正常。采用有限元结构分析软件MIDAS/CIVIL进行空间分析计算，建立修正有限元模型，如图3所示，全桥共1712个节点，3281个单元。

3 静力性能评价

根据静载试验相关规范，悬索桥静力特性描述主要指标包括主缆跨中垂度、吊杆索力、主缆张力增量及索塔的偏位。本桥为人行悬索桥，活载所占荷载比例较小，因此主缆及吊杆力受活载产生的增量并不大;主缆一侧为隧道锚，另一侧主塔刚度非常大，活载

图3 修正有限元模型

下塔顶位移不足1 mm，并且主缆为结构的主要承重构件，因此将主缆作为静力性能试验的主要对象，以主缆垂度作为静力性能评价的主要指标［6-7］。

确定主缆垂度工况有效加载范围如图4所示。根据设计荷载大小确定静力荷载试验的加载量，经

计算主缆最大垂度静载试验需均匀加载1.75沙袋，加载长度为12 m，横向加载宽度为2.1 m，如图5所示。本次试验分三级加载，一级加载0．5 tt二级加载 1．2 t，三级加载 1．75 t，各级试验加载效率如表1所示。

图4 有效加载范围

图5 详细布载

表1 各级试验加载效率

主缆垂度静力试验旨在对主缆在设计活荷载下的理论垂度与实际垂度进行对比，以此评价主缆的实际工作性能，因此本文以主缆八分点、四分点及跨中截面垂度作为控制指标。由图5可知，试验加载过程中，主缆跨中附近区域产生较大的下挠。其中，跨中主缆垂度最大为134 mm;桥头到四分点间主缆变形是向上的，最大上挠为48.5 mm;主缆四分点附近变形均较小，因此在布置测点时应充分考虑主缆的变形规律，合理布置测点。

主缆静载试验过程中每级加载状态重复2次观测。三级加载状态下主缆控制截面最大垂度对比如图6所示。由图6可知，各控制截面主缆实际变形规律与理论一致，跨中最大垂度较理论值小，其他控制点垂度与理论计算较为接近。主缆三级加载静力试验结果见表2(表中L代表跨长)。由表2可知，各控制截面主缆垂度校验系数在0.855～0.946，均小于1，且最大相对残余变形为5.39%;因此，主缆的实际工作性能与设计基本一致。

4 动力舒适性评价

行人过桥的动力舒适性问题在大跨度人行悬索桥上显得尤为突出，主要是由于人行悬索桥跨度较

表2 主缆三级加载静力试验(挠度)结果

图6 主缆静载试验理论变形

图7 主缆最大垂度对比

大，桥面系相比其他桥型较为轻盈，结构竖向一阶频率较低，易受到激振影响。桥梁结构的振动形式较多，本文根据工程实际情况，主要针对行人过桥时的竖向舒适度进行研究［8-13］;在静力有限元模型基础上，建立动力分析模型，对结构基频进行计算，计算结果见图8。由图8可知:一阶振动理论基频为0.397;动载试验实测基频为0.413。实测频率较理论值略大，说明结构实际刚度略大于设计状态。目前中国桥梁设计规范《城市人行天桥与人行地道技术规范》(CJJ 69—95)规定人行天桥上部一阶竖向基频应不小于3 Hz，但该规范制定时间较早，已不符合桥梁设计的发展现状，目前城市及景区的建设中，大跨度人行桥的应用越来越普遍，特别是大跨度人行悬索桥跨度大、刚度小，难以满足上述规定。故本文借鉴欧洲桥梁结构设计规范中的规定:当人行桥竖向基频小于3 Hz，应进行振动分析和评价。

图8 一阶竖弯振型

对依托工程拟定2种行人过桥舒适度评价工况，即单人跨中激振(工况一)及人群过桥激振(工况二)［14-17］。

无论是单人激励还是人群过桥，桥梁跨中振动反应都是最为剧烈，图9、10分别给出了2种动力作用工况下结构跨中加速度时程，跨中动力分析结果见表3。由图9可知，在单人激振作用下，跨中振动呈现周期变化，且跨中加速度逐渐达到最大，而后又趋于平缓，跨中最大加速度达到28.3 cm·s－2，加速度均方根为 13.45 cm·s－2。由图 10可知，跨中加速度时程具有4个明显特征:阶段Ⅰ为人群上桥前，结构振动加速度为0;阶段Ⅱ为人群上桥未到达跨中时，振动不剧烈;阶段Ⅲ为人群行至跨中，结构振动较为剧烈，最大加速度达到80.2 cm·s－2，加速度均方根为28.83 cm·s－2;阶段Ⅳ为人群下桥后，结构振动逐渐趋于平缓。

图9 单人激振跨中竖向加速度时程曲线

借鉴欧洲结构设计规范采用均方根加速度来表征振动允许值［18］，计算得 32 cm·s－2。由表 3 可知，单人激振和人群过桥激振下跨中加速度响应均满足要求，但工况二与限值较为接近，应注意人行桥运营过程对人流量的监测。

5 结 语

对某单跨175 m大跨度人行悬索桥进行静力性能评价，通过静力试验发现各控制截面主缆实际变形规律与理论一致，跨中最大垂度较理论值小，其他控制点垂度与理论计算较为接近，且主缆垂度校验系数范围在0.855～0.946，最大相对残余变形为5.39%，主缆的实际工作性能与设计基本一致。同时，针对依托工程的实际情况，进行行人过桥竖向舒适度研究，发现单人激振和人群过桥激振下跨中加速度响应均满足要求，但应注意人行桥运营过程对人流量的监测。

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Evaluation of Static and Dynamic Performance of Long-span Suspension Footbridge

JIANG Zhi-yuan
(Qingdao Transportation Planning and Design Institute，Qingdao 266102，Shandong，China)

The linear measurement of a suspension footbridge with a single span of 175 m was carried out，and the error analysis of the measured linearity and designed linearity was conducted．The modified finite element model was established based on the measured linearity to determine the static test conditions and loading methods，and the structural static performance was evaluated．Meanwhile，the dynamic analysis model was established based on the actual situation of the project，and two cases of pedestrian-induced excitation，namely a single pedestrian passes through the middle of the span and a crowd walks on the bridge，were proposed to evaluate the serviceability of the bridge．Through the static test，it is found that the actual deformation law of the main cable of each control section is consistent with the theory，and the maximum sag value is smaller than the theoretical value，while the other control points are close to the theoretical values．Aiming at the vertical comfort when pedestrians cross the bridge，it is found that the acceleration response under pedestrian-induced excitation meets the requirements in both cases．

long-span suspension bridge;finite element model;structural static performance;footbridge

U448．25

B

1000-033X(2017)09-0126-05

0 引 言

人行悬索桥因其结构造型及综合造价方面的优势，在山区景观桥梁中的应用较为广泛，但与其他跨径桥梁相比，其主缆刚度较小且变形较大，对风较为敏感，因此在运营过程中对安全更需引起重视;目前，对于悬吊结构的设计及施工的关键技术已有大量的研究和探讨［1-2］，而对人行悬索桥运营过程中受力性能评价方面的研究较少。此外，由于人行悬索桥跨度较大而体系较柔，行人过桥的共振问题也较为突出，振动问题不仅关系到结构的安全，也影响到行人过桥的舒适度，特别对景区桥梁，需引起足够的重视。

2017-03-11

交通运输部应用基础研究项目(2015319817110)

江志远(1970-)，男，山东即墨人，高级工程师，研究方向为道路桥梁设计。

［责任编辑:杜卫华］