运营期悬索桥锚跨索股张力变化分析研究

运营期悬索桥锚跨索股张力变化分析研究

陈元鹏

中交公路规划设计院有限公司桥隧监测养护分公司，北京 100010

摘要：通过对近几年悬索桥锚跨索股张力数据分析，发现索股张力的历年变化情况，根据实测数据与软件计算，分析温度对索股张力的影响情况，并结合健康监测系统中提取称重系统数据，得到车辆荷载与索股张力的关系。

关键词：运营期；索股张力；温度；汽车荷载

0 引言

几十年以来，中国悬索桥建设发展迅猛，从主跨452m的汕头海湾大桥到如今主跨1700m的武汉杨泗港长江大桥，26年间还建造了许多世界级别的悬索桥，令世人瞩目。悬索桥的主缆在施工索股时，一般使用线形进行控制桥梁的中跨和边跨施工，使用张拉力控制锚跨施工^[1]。悬索桥有许多的构件，锚跨只是占其中很小的一部分，但是索股的张力会影响到悬索桥的受力状态、锚固体系的安全、主缆线形及安全系数，也影响桥梁的美观^[2]。早些年建造的悬索桥已正常运营十几年，其中影响锚跨索股张力的变化的因素对悬索桥安全显得至关重要。

1 工程概况

某工程主缆为预制平行钢丝索股。全桥锚室共分为南锚碇西锚室、南锚碇东锚室、北锚碇东锚室、北锚碇西锚室，4个锚碇，每个锚室中有169股索股，每根索股是由127根高强度镀锌钢丝构成。根据调研情况，桥梁自从通车之后，分别于2016、17、18、19、20连续五年进行锚跨索股张力测试，桥型布置图与索股编号示意图见图1、图2。

图1 桥型布置图

图2 索股编号示意图

2 索股张力测量方法

一般锚跨索股张力测量采用频率法^[3]。索股的张力跟振动频率之间存在一定关系，首先设法测出索股的振动频率，根据索股长度、每延米索的质量以及支承条件通过计算，求出索股张力。

3 测量结果

测量数据均为正常通车情况下进行试验，南锚东侧索股2016-2020年总张力与设计张力变化分别为1.25%、2.63%、2.58%、2.67%、1.82%；南锚西侧索股2016-2020年总张力与设计张力变化分别为0.69%、3.01%、3.96%、5.68%、2.63%。北锚东侧索股2016-2020年总张力与设计张力变化分别为7.35%、7.34%、8.06%、8.99%、6.82%。北锚西侧索股2016-2020年总张力与设计张力变化分别为7.56%、6.41%、7.65%、7.31%、5.31%。

表1 16-20年张力变化超10%索股统计表

4 影响锚跨张力变化因素分析

1.计算模型说明

使用有限元计算软件midas civil建立模型，全桥共计712个单元。桥梁计算模型如下图。

图3 悬索桥计算模型

2.温度

（1）计算结果

经过计算，在全桥升温1℃情况下，南锚索股力平均每根降低0.64KN，北锚索股力平均每根降低0.7KN。

全天温差在10℃以内时，温度使每根索股的变化量小于10KN。考虑到北锚索股设计索力1524KN，南锚索股设计索力1657KN，温度影响非常小，基本可以忽略。

（2）索力复测

为分析温度变化对索股张力的影响程度，对锚室选取多个索股，在同年进行复测，某索股复测结果见图4。

图4 某索股锚跨张力变化曲线

初测与复测温差在4.4℃~6.3℃之间，绝大部分索力差值在1%以内，实测结果与计算结果吻合。

3.汽车荷载

（1）计算结果

对全桥施加1KN/m均布荷载，北锚平均每根索股增加5.4KN，南锚平均每根索股增加5.8KN。

根据规范，大桥汽车设计荷载标准值为32.72KN/m。在达到汽车荷载设计标准值时，北锚索股索力较恒载设计值增加11.6%，南锚索股索力较恒载设计值增加11.5%。

（2）索力监测数据分析

在桥梁健康监测系统中提取出某日汽车荷载全天数据，将索股张力与桥上汽车荷载进行对比（注：为便于分析，将汽车荷载除以桥长，转化为桥上均布荷载），结果如下图。

图5张力与汽车荷载关系曲线

如图5可知，汽车荷载从凌晨增长到中午、从中午降低到夜晚时，索股张力也出现相应的增长、降低。桥上出现重车，索股张力会相应的显著增大。重车过后，索股张璐会恢复到常规状态。

6 结论

（1）温度对锚跨张力的变化影响比较小。全天温差在10℃以内时，温度使每根索股张力的变化量小于10KN。

（2）汽车荷载是造成索股张力变化的重要因素。张力随汽车荷载呈现趋势性变化；桥上出现重车，索股张力会相应的显著增大；重车过后，索股张力会恢复到常规状态。

（3）在汽车荷载作用下各个索股均匀受力时，张力变化量在12%以内。汽车偏载、各个索股弹性模量的差异，导致各个索股并非均匀受力，是造成个别索股索力变化量超过10%的重要因素。

参考文献:

[1]. 罗喜恒，肖汝诚，项海帆，悬索桥锚跨索股分析研究[J].公路交通科技，2004（12）：45-49.

[2]. 索小庆，张永水，周元辅，温度对悬索桥锚跨索股张力影响研究，交通科技，2009（4）：20-23.

[3]. 薛刚，孙树宝，李建刚，基于频率法的悬索桥锚跨索股索力测试分析，噪声与振动控制，2017（10）.