温度对悬索桥主缆垂度、桥面线型及索力的影响探析

司 瑞 （安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230032）

近年来随着大跨径悬索桥在我国的蓬勃发展，该桥型越来越受到工程界的重视和青睐。通常考虑大跨径悬索桥柔性较高的特点，其线形、垂度、索力易受现环境温度的影响，所以通过桥梁历年变形观测的数据对桥梁随温度变化的分析已成为桥梁工程的一个重要的课题。

1 工程概况

金寨县油坊店乡面冲村江湾至牌坊便民桥主桥采用双塔单跨柔性悬索桥形式，跨径布置为2×9m（西引桥）+108m（主桥）+（9+8）m（东引桥）=143m，桥面净宽1.5m。主跨矢跨比为1/12，边索倾角26.57°。主索中距1.8m，吊杆间距为3m。抗风索计算跨径102m，矢跨比为1/30，水平夹角30°。设计荷载：人群2.7kN/m（2满载），集中荷载10kN。地震基本烈度为6度，采用构造简易设防。设计安全等级为Ⅰ级。该悬索桥每根主索采用7Φ30镀锌钢丝绳，全桥共设35对吊杆。桥面系横梁采用I20b，纵梁采用5根I14，桥面板为8mm厚防滑镂空钢板+50mm厚杉木板。抗风主索采用Φ44镀锌钢丝绳，拉索采用Φ12镀锌钢丝绳。桥塔采用钢筋混凝土框架结构，基础采用桩基接承台形式。主索两岸均采用重力式锚碇系统，锚碇统一设置锚杆，抗风主索采用1m×1m方桩与锚碇相结合的锚固形式。桥塔采用C40钢筋混凝土，桥塔承台、边墩及其基础、桥台帽梁、锚碇板采用C30钢筋混凝土，为现场自拌浇筑。

2 试验检测内容

①主缆垂度检测：在两侧桥塔、跨中处索夹主缆中心位置布设测点，采用全站仪对两侧主缆的相对高程进行量测，对比分析两侧实测主缆垂度与2017年实垂度吻合情况；②桥面纵向线形检测：桥面纵向线形检测的测点应沿桥纵向在上、下游边缘线2条线上分别布设，且布设在桥跨结构的特征点截面上，利用水准仪对桥面各测点进行量测，对比分析每条测线线形以及与设计线形的吻合情况，并绘制对比图；③结构计算分析利用Midas/civil 2019建立主桥空间有限元模型进行成桥阶段分析，即在成桥状态下分析桥梁的静力和动力反应，从而为索力的测试与分析提供依据。采用只受拉桁架单元模拟主索与吊杆，采用梁单元模拟桥塔与钢梁；④边跨主索索力检测恒载作用下主索索力的实际状况与设计值的符合程度是衡量结构内力状态是否符合设计要求和施工水平的一个重要指标。对于一般结构，要在竣工后测量恒载引起的内力是难以做到的，但是对于拉索，可以用测量拉索横向振动频率的办法，间接测出拉索的索力。

3 检测结果分析

3.1 主缆垂度检测

在每个索夹主缆中心位置布设测点，采用全站仪对两侧主缆的线形进行量测，对比分析两侧实测主缆垂度、2017年实测成果的吻合情况，具体实测结果及对比分析如表1所示。

实测成果对比分析 表1

本次两侧主缆实测垂度整体相对于2017年偏小，偏差约为65mm。

3.2 桥面纵向线形检测

由于该桥为人行桥，桥面较窄，对于主桥的桥面纵向线形测量，采用两条测线（南、北两侧踢脚顶面）进行测点布置。每侧测点均起止于东、西两端梁端线，对应于吊杆位置布置，即各测点的纵向间距为3.0m，单侧布置37个测点。两侧测点的编号按照从东至西的方向依次编号为N1～N37和S1～S37，且桥外设置一个固定基准点A，现场测量选择在温度稳定的清晨进行。

现场通过电子水准仪测得本次以及2017年两条测线上各测点相对于基准点的高程值绘制桥面几何线形对比图如下所示。

图1 2017年、2019年北侧实测线形对比

图2 2017年、2019年南侧实测线形对比

通过以上图表可知，本次主桥两侧实测桥面纵向线形基本光滑平顺，没有明显的凸起和凹落点，但两侧线形存在较小偏差，南侧高程整体较北侧大，这与2017年度实测结果基本相符，且与两侧主缆线形存在的偏差基本一致；本次主桥两侧实测桥面高程整体相对于2017年偏大，跨中处最大偏差约为75mm。

3.3 边跨索力检测

本次利用无线遥测振动（索力）测试分析系统基于实测基频的索力计算方法对两边跨共4段主索的索力进行测试分析。各索段相关技术参数及索力测试分析结果如图3、表2所示。

图3 实测索段振动信号FFT平均谱

边跨各索段索力测试分析对比结果（单位：kN） 表2

通过以上图表可知，本次边跨各索段实测索力在198.6kN～200.3kN之间，与2017年实测结果偏差在80.6 kN～87.3kN之间。

3.4 垂度、桥面高程、索力偏差成因分析

根据上文可知，本次实测主缆垂度、桥面纵向线形以及边跨索力与2017年实测结果均存在较大偏差，由于该桥为大跨径柔性人行悬索桥，结合其它检测结果以及两次测试时现场环境和出现偏差的规律，初步判断为环境温度的影响。下面结合Midas/civil 2019建立的主桥有限元模型进行分析验证。

2017年现场检测时间为6月22日傍晚，环境温度约为25～30℃，本次现场测试时间为2019年1月24日，环境温度约为5～10℃，其它条件相同，即本次相对于2017年附加存着一个均匀降温的作用效应，在模型中按均匀降温22℃考虑，具体分析结果如下所示。

图4 均匀降温22℃工况下边跨索力

图5 均匀降温22℃工况下跨中主缆、主梁竖向位移

两年度线形、索力实测偏差与计算值对比 表3

通过以上图表可知，实测偏差与计算偏差基本吻合，表明该桥跨结构主缆垂度、桥面线形以及主缆索力受温度影响较大。

4 检测结论

根据两次主缆垂度、桥面线型以及索力的实测结果可知，两次实测垂度、桥面线型及索力存在偏差，经分析，实测偏差与计算偏差基本吻合，表明该桥跨结构主缆垂度、桥面线形以及主缆索力受温度影响较大。为保证检测数据的连续性和可对比性，建议今后的检测工作尽量安排在同一月份进行。