人行玻璃悬索桥静动力性能测试分析

张晓明

(铁正检测科技有限公司，山东 济南 250014)

悬索桥，又名吊桥(suspension bridge)，指的是以通过索塔悬挂并锚固于两岸的缆索作为上部结构主要承重构件的桥梁。悬索桥因对地形的适应性强，构造简单、受力明确的特点而获得青睐[1]。近几年，我国许多景区建造了一大批人行玻璃悬索桥，掀起了建设人行玻璃悬索桥的热潮。但是，我国目前还没有出台相关的质量验收行业标准，试验检测手段参差不齐，很难确保桥梁的安全。本文结合工程实例，对人行玻璃悬索桥静动力性能展开研究，为同类型桥梁开展荷载试验提供参考。

1 工程概况

某人行玻璃悬索桥位于风景区山腰处，地面高程在458.5～466.3 m之间，南侧位于山腰一岩石岗上，北侧位于山坡中下部。桥梁跨径组合21.0 m+166.4 m+15.0 m，矢高14.2 m，成桥后中跨垂跨比为1/13.4。桥面净宽度为1.8 m，横梁总宽度为2.8 m，主缆横向间距2.6 m，吊杆顺桥向间距为3.2 m。桥面板采用夹胶钢化玻璃，两侧设置防护栏杆，栏杆采用工厂预制现场拼接方式。桥梁主塔基础为扩大基础，锚碇采用重力式锚碇。图1为桥梁桥跨结构布置，图2为桥梁现场。

图1 桥跨结构布置(单位:m)

图2 桥梁现场

2 测试内容

静力性能主要是通过测试桥梁结构在静力试验荷载作用下的响应，判定结构的承载能力是否满足要求。测定项目及内容为主梁挠度变形和索塔塔顶位移等[2]。

动力性能主要通过脉动试验、行人试验测定桥梁结构在自然状态下和受迫振动作用下结构的动力响应，获取桥梁结构的动力特性(自振频率、振型)及冲击效应(振动加速度)性能指标，以评价桥梁的动力性能[3]。

3 有限元计算分析

该桥主要设计参数：人群荷载1.00 kN/m2，基本风压0.50 kN/m2，基本雪压0.45 kN/m2，主缆及吊索采用公称抗拉强度为1 670 MPa高强度镀锌钢丝，纵横梁、钢垫板、锚块、索鞍等其他相关钢材构件均采用Q235C级钢，桥梁主塔及锚碇均采用C30混凝土，索夹、散索套材料采用牌号为ZG20Mn的低合金铸钢。根据悬索桥受力特点，借助桥梁工程软件Midas/Civil 2016，建立全桥有限元模型，得到各试验工况的理论值，为现场试验提供理论数据依据。全桥模拟了4种材料，共建立了2 134个单元。主梁与桥塔及主缆与桥塔均采用刚性连接。有限元模型如图3所示。

图3 全桥有限元模型

有限元部分计算分析结果：设计人群荷载作用下主梁跨中截面最大挠度324.6 mm；设计人群荷载作用下索塔塔顶最大纵向位移8.3 mm。自重作用下水平向一阶振型，正对称侧弯；自重作用下竖向一阶振型，反对称竖弯；自重作用下水平向一阶频率0.30 Hz；自重作用下竖向一阶频率0.53 Hz。

4 静力性能试验测试分析

4.1 测试断面与测点布置

根据主梁在荷载作用下的挠度包络图，确定挠度测量截面为横截面1、6、11、16、21、25、26、27、31、36、41、46、51(数字为对应的吊索编号)。在实际测量中，为方便记录位置，选取最靠近理论计算控制断面的吊索作为参照物，选取吊索根部的螺栓作为实际观测点。索塔位移测点布置在桥塔顶部，在塔顶测点部位粘贴反射片以方便全站仪进行观察。挠度测点布置如图4所示。

图4 桥梁挠度测点布置(单位：m)

4.2 试验载位布置

该悬索桥设计人群荷载为1.0 kN/m2，桥面人行通道净宽度为1.8 m，加载主跨长度为166.4 m，将300 kN作为控制荷载。根据《公路桥梁荷载试验规程》(JTG/T J21-01-2015)要求，荷载效率控制在0.85～1.05之间，考虑现场实际情况，试验采用水袋加载，单个水袋重量为3.55 kN，荷载效率取0.85，现场加载情况见图5。加卸载采用四级逐次加载、四级逐次卸载的方式进行，每级加载完成后持续15 min以上采集数据。第一级：在吊索22至吊索30之间均布18个水袋，合计加载64 kN；第二级：在吊索10至吊索14之间、吊索38至吊索42之间各均布9个水袋，共18个水袋，合计加载64 kN；第三级：在吊索3至吊索8处、吊索44至吊索49处，吊索16、吊索18、吊索20、吊索32、吊索34、吊索36处各布1个水袋，共18个水袋，合计加载64 kN；第四级：在吊索3至吊索9两相邻吊杆间、吊索43至吊索49两相邻吊杆间，吊索15、吊索17、吊索19、吊索33、吊索35、吊索37处各布1个水袋，共18个水袋，合计加载64 kN。一至四级共计加载256 kN，水袋具体布置位置如图6所示。

图5 现场加载

图6 水袋布置位置

4.3 试验测试结果分析

4.3.1 挠度测试结果分析

主梁挠度测量采用高精度水准仪匹配塔尺进行，由于现场采集数据量大，本文只列出第四级加载及卸载完成后的测试数据，结果见表1。

表1 挠度测试结果

通过表1数据分析知，在第四级试验荷载作用下，实测玻璃悬索桥最大弹性变形为288.8 mm，挠度校验系数在0.96～1.06之间。卸载后整体挠度恢复正常，各荷载工况下主要控制测点(测点11～41)相对残余变形均在15%范围内。实测变形规律与理论变形规律相符，证明了建模分析的正确性。

4.3.2 塔顶位移测试结果分析

现场采用全站仪对悬索桥南北两侧塔柱塔顶在桥面纵向的位移进行观察，将每级加载所测数据与有限元模型的理论值进行对比分析，如表2所示。通过分析，索塔塔顶纵向水平位移均小于理论值，相对误差均在15%以内，满足设计及规范要求。

表2 南侧索塔水平位移测试结果

5 动力性能测试分析

5.1 测试断面与测点布置

脉动试验测试的主要项目为桥跨结构的自振频率、振型和阻尼比。脉动试验测试部位选在桥跨的八等分点处，每处布置两个拾振器，一个测量竖向加速度，另一个测量水平加速度。

动力响应测试采用人群匀速行走、人群匀速小跑、人群急停的方式。传感器布置在桥跨的L/4、L/2、3L/4处。每处布置两个拾振器，一个测量竖向加速度，另一个测量水平加速度。

5.2 测试方法

桥跨结构脉动试验及动力响应试验选用941B加速度传感器，匹配DH5922N型动态信号测试分析系统和笔记本电脑进行数据采集。

5.3 结构自振特性测试分析

现场测试共获得了前6阶实测振型，限于篇幅这里只给出水平一阶和竖向一阶振型图，见图7。前6阶自振特性参数测试结果详见表3。

图7 实测振型

表3 特性参数测试结果

从实测频率、振型分析得到该桥动力特性：①该桥基频为0.34 Hz体现了悬索桥柔性结构的特性；②第一振型为一阶正对称侧弯，说明悬索桥侧向刚度较小，横桥向易出现振动；③我国《城市人行天桥与人行地道技术规范》(CIJ69-95)要求人行桥基频不小于3 Hz，前三阶实测频率均小于3 Hz可能会引发人致振动问题。

5.4 结构动力响应试验测试分析

行人正常行走的步频介于1.6 Hz(慢走)和2.4 Hz(快走)之间，平均值大约是2 Hz，步长约 0.6 m，求得匀速行走的速度为1.2 m/s，同时考虑到人群跑动的情况，最终采用1.2 m/和3.0 m/s两种速度开展动力响应试验。该桥宽仅1.8 m，最多允许人员双排通行，考虑该桥实际情况并结合规范[4-5]，最终采用4名成人、10名成人两种人群荷载开展动力响应试验；动力响应试验工况见表4。

表4 动力响应试验工况

动力响应测试的最终目的是对舒适性进行评价，但目前国内并没有相应的行业规范，这里参照德国《人行桥设计指南EN03》[6]进行舒适度评价。德国EN03规范采用桥梁自振频率与行人承受的峰值加速度限值结合法判别舒适度等级[7]，首先验算人行桥的自振频率是否在竖向1.25～2.30 Hz、横向0.20～1.20 Hz敏感频率范围以内，然后验算峰值加速度。本次检测所得自振频率在竖向0.41～0.80 Hz、横向0.34～1.04 Hz范围之内，因此只对桥梁横向振动做舒适度分析。表5为德国EN03规范舒适度指标。表6为动力响应试验测试分析结果。

表5 德国EN03规范舒适度指标

由表6可知：根据德国EN03规范，4人行走、10人行走，舒适度等级为中度舒适；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适度等级为不舒服。

表6 动力响应试验测试分析结果

6 结论与建议

(1)该人行玻璃悬索桥索塔塔顶水平位移均小于理论值，相对误差均在15%以内，说明索塔刚度较好，满足规范和设计要求。该人行玻璃悬索桥挠度测试实测变形规律与理论变形规律相符，证明了建模分析的正确性。满级荷载作用下挠度校验系数在0.96～1.06之间，主要控制测点相对残余变形均在15%范围内，挠度校验系数η不满足规范中η≤1.0的要求，说明桥跨结构刚度偏弱，其承载力不能满足规范和设计要求。

(2)该人行玻璃悬索桥基频为0.34 Hz，体现了悬索桥柔性结构的特性；第一振型为一阶正对称侧弯，说明悬索桥侧向刚度比竖向刚度弱，横桥向易出现振动；前三阶实测频率均小于3 Hz，该桥可能会引发人致振动问题。

(3)根据德国EN03规范，在不同的工况作用下，该人行玻璃悬索桥舒适度等级分别评为中度舒适、不舒服。该人行玻璃悬索桥舒适度评价结果整体较差。

(4)该人行玻璃悬索桥的承载力不满足设计要求应进行加固处理或降低荷载标准使用。如采用降低荷载标准的手段，其最大荷载标准建议控制在设计荷载标准的80%以内，为了保证桥梁结构安全，必须配备专职人员控制游客数量，同时加大桥梁日常检查和定期检查的频率，桥梁出现异常情况，应及时封闭，查明原因，采取措施。

(5)该人行玻璃悬索桥仅在桥左右两侧各设置了3道防风缆，未设置专门的抗风缆及风拉索，这是造成舒适度评价结果较差的主要原因。舒适度状况较差，容易造成旅客心理恐慌，从而带来安全隐患，建议该桥增设专门抗风缆及风拉索，提高桥梁结构的竖向刚度、横向刚度及扭转刚度。增设以后重新进行舒适度评价。