朱三凡

(廈門市工程檢測中心有限公司 福建廈門 361004)

獨(dú)塔單索面部分斜拉橋性能評估

朱三凡

(廈門市工程檢測中心有限公司 福建廈門 361004)

以某獨(dú)塔單索面部分斜拉橋為工程背景，介紹了基于常規(guī)定期檢查、結(jié)構(gòu)檢測、動靜載試驗結(jié)果進(jìn)行橋梁技術(shù)狀況全面評估的過程。

獨(dú)塔單索面部分斜拉橋；性能評估

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引 言

部分斜拉橋是介于剛性橋型的連續(xù)梁與柔性橋型的斜拉橋之間的一種橋型，總體表現(xiàn)出“塔矮、梁剛、索集中”的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。在部分斜拉橋中，由于主梁剛度較大，主梁是主要的承重構(gòu)件，斜拉索對梁起加勁、調(diào)整受力的作用，斜拉索的恒載索力占總索力的比重較斜拉橋大，斜拉索的應(yīng)力幅較小，斜拉索的疲勞問題不突出，因而斜拉索的容許應(yīng)力可參考連續(xù)梁中預(yù)應(yīng)力的容許值取0.6 。部分斜拉橋與連續(xù)梁相比具有結(jié)構(gòu)新穎、跨越能力大、施工簡單、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，與斜拉橋相比具有施工方便、節(jié)省材料、主梁剛度大等優(yōu)點(diǎn)。隨著部分斜拉橋結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來越廣泛，如何對運(yùn)營期橋梁進(jìn)行技術(shù)評定變得越來越迫切，以下就是一個獨(dú)塔單索面部分斜拉橋進(jìn)行橋梁技術(shù)狀況評定的實例。

1 工程概況

1.1 概況

某預(yù)應(yīng)力混凝土獨(dú)塔單索面部分斜拉橋(外景圖見(圖1)，立面圖見(圖2)主橋跨徑組合為2×80m，墩塔梁固結(jié)，索型為單排豎琴式。主梁采用單箱三室大懸臂截面，中支點(diǎn)梁高3.8m，邊之點(diǎn)梁高2.4m，梁高按二次拋物線變化，箱梁頂寬27.0m，懸臂長4.5m，箱底寬16.24～17.0m，兩邊腹板斜置，邊室凈寬7.30m ，中室凈寬1.8cm，斜拉索布置在中室。主梁采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，設(shè)有縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力。主塔結(jié)構(gòu)橋面以上高30.25m，采用實心H形截面，順橋向?qū)?.5m，橫橋向?qū)?.0m，布置在中央分隔帶上，塔底采用R=4m的圓弧加寬至11.48m。每根斜拉索對應(yīng)一個鞍座，斜拉索橫橋向呈單排布置，鞍座亦設(shè)單排。鞍座采用雙重管結(jié)構(gòu)形式。雙重管采用雙層鋼管，外管埋設(shè)于砼塔內(nèi)，內(nèi)管置于外管內(nèi)，斜拉索穿過內(nèi)管。在兩側(cè)斜拉索出口處，內(nèi)外管之間設(shè)抗滑錨頭，以防止內(nèi)外管相對滑動。為與斜拉索過鞍座相適應(yīng)，雙重管采用圓弧形，彎曲半徑為4.0m。

斜拉索為豎琴式單索面，布置在中央分隔帶上。順橋向集中布置在梁體的L/3跨度附近。塔根附近及跨中有一段較長的無索區(qū)，塔上索距1.57～1.54m，梁上索距4.0m。拉索采用單排索，最大索力控制在581t左右，斜拉索在塔頂通過鞍座，兩側(cè)對稱錨于梁體。

設(shè)計參數(shù)：

(1)設(shè)計荷載：汽車-超20級，城-A級；驗算荷載：掛車-120級；人群荷載：3.5kN/m2

(2)行車道凈寬：20.0m，雙向四車道；人行道凈寬：2×2.0m。

根據(jù)《城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》CJJ99-2003，該橋應(yīng)劃分為Ⅰ類養(yǎng)護(hù)的城市橋梁(特大橋梁及特殊結(jié)構(gòu)的橋梁)，養(yǎng)護(hù)等級為Ⅰ等(Ⅰ～Ⅲ類養(yǎng)護(hù)的城市橋梁)。

圖1 現(xiàn)場實景圖

圖2 主橋結(jié)構(gòu)立面圖、靜載測試截面及測點(diǎn)布置圖(單位：m)

1.2 以外檢測加固情況

在橋梁運(yùn)營4年后，于2006年7月23日對該橋進(jìn)行了外觀檢查。主要檢測結(jié)論如下：經(jīng)對橋梁的外觀檢測發(fā)現(xiàn)，橋塔部分出現(xiàn)了裂縫。橋塔上裂縫出現(xiàn)的位置為塔根部圓弧區(qū)，表現(xiàn)為塔中部順?biāo)虻牧芽p和塔根部橫橋向的裂縫，其中塔根部橫橋向的裂縫在橋塔兩側(cè)均有出現(xiàn)。

2007年12月對該橋進(jìn)行了維修加固工程，主要維修加固內(nèi)容為：主橋橋塔裂縫填補(bǔ)及加固、橋面鋪裝更換、斜拉索PE套管修補(bǔ)、照明設(shè)施維修更換、橋梁表面油漆等內(nèi)容。主橋主塔維修加固采用先填補(bǔ)裂縫，后粘貼碳纖維布的維修加固方法。

2 橋梁結(jié)構(gòu)檢查結(jié)果及技術(shù)狀況評估

2.1 橋面系檢查結(jié)果

主橋兩側(cè)行車道橋面鋪裝層均基本完好，南、北橋臺處與橋接縫處均基本平順；南、北橋臺處伸縮縫處均存在不同程度的縫內(nèi)沉積物阻塞現(xiàn)象；橋面共有兩側(cè)5處泄水孔局部堵塞、2處孔蓋缺失；橋面兩側(cè)護(hù)欄多處出現(xiàn)局部脫漆、銹蝕；中央分隔帶護(hù)欄涂裝層多處龜裂、剝落。

2.2 上部結(jié)構(gòu)檢查結(jié)果

主梁結(jié)構(gòu)均基本完好；主塔橋面以上、以下部分均基本完好；C2斜拉索北段PE護(hù)套局部破損；有7處斜拉索錨頭鋼護(hù)筒出現(xiàn)局部銹蝕現(xiàn)象，C4處斜拉索南段錨頭處出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，C3斜拉索北段錨固段混凝土縱向開裂(沿斜拉索方向)、開裂處流白。

2.3 下部結(jié)構(gòu)檢查結(jié)果

全橋各橋墩(臺)均基本完好；全橋各處支座支承穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)損壞、變形，支座底板混凝土完好，無壓碎開裂現(xiàn)象；該橋橋面鋪裝層、橋墩(臺)、承臺等未出現(xiàn)因地基不均勻沉降、傾斜等病害產(chǎn)生的開裂現(xiàn)象，基礎(chǔ)周邊地坪無地基土滑動或移動的跡象，可間接說明該橋的基礎(chǔ)處于正常工作狀態(tài)。

2.4 技術(shù)狀況評估結(jié)果

該橋為Ⅰ類養(yǎng)護(hù)的城市橋梁(特大橋梁及特殊結(jié)構(gòu)的橋梁)，依據(jù)CJJ99-2003的規(guī)定：Ⅰ類養(yǎng)護(hù)的城市橋梁應(yīng)按影響結(jié)構(gòu)安全狀況進(jìn)行評估。但是規(guī)范中未對該類橋梁如何進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全狀況進(jìn)行詳細(xì)規(guī)定，故參照Ⅱ～Ⅴ類養(yǎng)護(hù)的城市橋梁按CJJ99-2003中附錄D按分層加權(quán)法對橋面系、上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行技術(shù)狀況評估，再綜合評估得出整個橋梁的技術(shù)狀況：主橋橋面系、上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀況指數(shù)分別為89.25、90.75和91.50，整座橋梁結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況指數(shù)為90.86，技術(shù)狀況評估等級為A級(完好狀態(tài)，應(yīng)進(jìn)行日常保養(yǎng))，故主橋的完好狀態(tài)可定為合格級(橋梁結(jié)構(gòu)完好或結(jié)構(gòu)構(gòu)件有損傷，但不影響橋梁安全，應(yīng)進(jìn)行保養(yǎng)、小修。)

3 結(jié)構(gòu)檢測

3.1 混凝土抗壓強(qiáng)度無損檢測

主橋上部主梁腹板的混凝土強(qiáng)度實測值在51.2MPa～53.1MPa之間，均高于原設(shè)計混凝土強(qiáng)度。(注：由于檢測時上述構(gòu)件的砼齡期超過JGJ/T 23-2011中砼測強(qiáng)曲線的14d～1000d砼齡期范圍，因此本次回彈法檢測結(jié)果僅作為參考。)

3.2 斜拉索索力測試

部分斜拉索索力測量結(jié)果對比見表1。本次所檢斜拉索索力實測值與02年竣工試驗是的實測值較接近，偏差絕對值基本在10%以內(nèi)，最大偏差值為10.34%；所檢斜拉索索力實測值與06年實測值偏差較小，偏差絕對值在0.61%～7.42%之間，大部分偏差在5%以內(nèi)。

表1 部分斜拉索索力測量結(jié)果對比

3.3 橋面線形

主橋橋面線形采用精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行測量，測點(diǎn)布置在橋面行車道東、西側(cè)及中央分隔帶處，均以0#橋臺1#點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)。本次實測橋面線形與設(shè)計線形的對比未出現(xiàn)明顯變化。

4 靜載試驗

橋梁靜載試驗主要通過測量橋梁結(jié)構(gòu)在靜力荷載作用下各控制截面的應(yīng)力及結(jié)構(gòu)變形，以檢驗橋梁基本性能及工作狀態(tài)(如結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度)，評估橋梁是否能夠滿足設(shè)計要求，從而確定橋梁結(jié)構(gòu)實際工作狀態(tài)與設(shè)計期望值是否相符。

4.1 靜載檢驗對象

根據(jù)該橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選取橋梁的1-1截面～4-4截面作為靜載試驗對象，各截面布置如(圖2)所示。為了保證試驗的有效性，本次試驗根據(jù)理論計算的各控制截面內(nèi)力影響線和實際加載汽車參數(shù)、以內(nèi)力等效的原則、按最不利位置布置試驗荷載，并使試驗荷載效率不小于0.95且不大于1.05。經(jīng)過計算確定，本次靜載試驗實際加載車輛需用12輛車重約為390kN的汽車(車自重+荷載重)，由測試項目及內(nèi)力影響線確定的檢驗橋跨靜載試驗各工況如下：

工況1：主塔最大偏位最不利偏心布載；

工況2：主塔最大偏位最不利對稱布載；

工況3：主橋主梁3-3斷面最大彎矩對稱布載；

工況4：主橋主梁3-3斷面最大彎矩偏心布載。

4.2 檢驗項目及方法

4.2.1 應(yīng)變測試

應(yīng)變測試采用BX120-100AA型電阻應(yīng)變片和DH3815N靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)進(jìn)行。主橋縱向應(yīng)變測試截面為1-1、2-2、3-3、4-4截面，混凝土應(yīng)變測試各個斷面?zhèn)鞲衅鳒y點(diǎn)布置位置如(圖3)所示，全橋共布設(shè)78個靜應(yīng)變測點(diǎn)。

4.2.2 撓度測試

主橋撓度觀測采用高精度平水準(zhǔn)儀(DS05)和塔尺相結(jié)合進(jìn)行，橋面水準(zhǔn)測點(diǎn)布置見(圖2)，橋面橫向共布置2列測點(diǎn)，全橋共布設(shè)12個測點(diǎn)。

圖3 主梁底面靜、動態(tài)混凝土應(yīng)變測點(diǎn)布置圖

4.2.3 斜拉索索力變化測試

在靜載試驗過程中，采用振動法測試部分斜拉索在試驗荷載作用下的索力變化。

4.2.4 主塔塔頂偏位變位測試

在主塔塔頂布置測點(diǎn)，利用全站儀測量各工況荷載作用下橋塔的縱向水平位移，測點(diǎn)布置見(圖2)。

4.2.5 裂縫觀測

在加載全過程中觀測橋跨結(jié)構(gòu)各控制截面裂縫的開展情況。

4.3 有限元模型

為了準(zhǔn)確分析該橋的結(jié)構(gòu)特性和確定最不利輪位布載，理論分析采用MIDAS CIVIL軟件建立梁單元及實體單元有限元模型。

圖4 主橋梁單元模型

圖5 主橋?qū)嶓w單元模型

a)塔頂最大偏移位移影響線

b) 主塔根部最大負(fù)彎矩作用影響線

c) 主梁3-3斷面最大彎矩作用影響線圖6 主橋各控制斷面影響線

4.4 靜載試驗結(jié)果與分析

(1)撓度測試結(jié)果分析

在各工況汽車荷載作用下，橋面兩側(cè)D2～D5測點(diǎn)實測撓度值均較理論撓度值小，其中東、西兩側(cè)各測點(diǎn)實測撓度最大值分別為42.04mm、39.63mm(均小于[L/600]的規(guī)范限值)，結(jié)構(gòu)的變形校驗系數(shù)在0.55～0.77之間。

(2)應(yīng)力測試結(jié)果分析

在各工況荷載作用下，各控制截面測點(diǎn)的應(yīng)力實測值均小于理論計算值，應(yīng)力校驗系數(shù)在0.14～1.00之間；

(3)主塔偏位測試結(jié)果

在各工況作用下，主塔頂部偏位的實測值均小于相應(yīng)的理論計算值，校驗系數(shù)在0.60～0.80之間，殘余偏位為0。

(4)斜拉索索力變化情況

在各工況試驗荷載作用下，所檢測的斜拉索內(nèi)力變化值均小于理論計算值，校驗系數(shù)在0.51～0.86之間。

表2 斜拉索索力測試結(jié)果

備注：各斜拉索均采用極限抗拉強(qiáng)度1860MPa的高強(qiáng)度低松弛鋼絞線組成的，其中C1～C5截面為55-7Φ5，C6～C10截面為43-7Φ5，拉索的彈性模量E=1.95×105MPa。

5 動載試驗

5.1 試驗方法及測點(diǎn)布置

通過對橋梁進(jìn)行環(huán)境激勵及汽車激勵試驗，測試橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性(自振頻率)，以及測試橋梁結(jié)構(gòu)在動荷載作用下的響應(yīng)(動應(yīng)變、沖擊系數(shù))，對測試數(shù)據(jù)整理分析并與有限元計算結(jié)果進(jìn)行分析對比，以了解結(jié)構(gòu)的動力特性。

主橋豎向、橫向自振特性測點(diǎn)：通過分別在上、下游側(cè)橋面(每跨的四分點(diǎn)處)布設(shè)豎向(水平向)加速度傳感器，以觀測橋梁豎向及扭轉(zhuǎn)自振特性，全橋共18個測點(diǎn)，分成4個測站。

主橋汽車激勵試驗測點(diǎn)：在1-1、3-3截面主梁頂板底面布置電阻應(yīng)變片(測點(diǎn)布置見圖3)并采用北京東方振動和噪聲技術(shù)研究所的DASP智能數(shù)據(jù)采集和信號分析系統(tǒng)測試各行車工況下動應(yīng)變時程曲線。

5.2 自振特性試驗結(jié)果

該橋主梁豎向前4階、豎向扭轉(zhuǎn)前2階自振頻率、振型實測與理論值比較見(表3)，各階理論與實測振型比較見(圖7)。從表中可知：理論計算的該橋主橋豎向前兩階、豎向四階自振頻率均小于實測值，說明該橋?qū)嶋H豎向剛度較理論值大。

表3 主橋自振特性實測結(jié)果

備注：1、本次未測得豎向三階實測振型； 2、按JTG/T J21-2011第5.9.2條， 1.1>fm/fd≥1.0對應(yīng)的評定標(biāo)度為2。

(1)主橋理論計算豎向第1階振型(099Hz)(2)主橋?qū)崪y豎向第1階振型(116Hz)(3)主橋理論計算豎向第2階振型(169Hz)(4)主橋?qū)崪y豎向第2階振型(173Hz)未測得(5)主橋理論計算豎向第3階振型(2865Hz)主橋?qū)崪y豎向第3階振型(6)主橋理論計算豎向第4階振型(4480Hz)(7)主橋?qū)崪y豎向第4階振型(4608Hz)(8)主橋理論計算扭轉(zhuǎn)第1階振型(390Hz)(9)主橋?qū)崪y扭轉(zhuǎn)第1階振型(371Hz)(10)主橋理論計算扭轉(zhuǎn)一階振型(392Hz)(11)主橋?qū)崪y扭轉(zhuǎn)二階振型(409Hz)

5.3 車輛激振動力相應(yīng)測試結(jié)果分析

分別以靜載測試車輛1輛作為動載車輛，測試汽車激勵(主橋的測試行車速度分別為5km/h、10km/h、20km/h、30km/h、40km/h)對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的動應(yīng)變曲線。由于該主橋剛度較大，在一輛重車作用下，箱梁頂、底板應(yīng)力變化量較小，因此所測動應(yīng)變數(shù)據(jù)并不可靠，無法對跑車試驗結(jié)果做定量分析。

6 結(jié)語

綜上，通過現(xiàn)場靜動載試驗和對試驗結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)合理論模型計算結(jié)果，現(xiàn)階段該橋上部主體結(jié)構(gòu)在原設(shè)計荷載(汽車-超20級、掛-120級、城-A級汽車荷載)的作用下總體處于彈性工作狀態(tài)，豎向剛度(應(yīng)力、撓度、自振頻率)、校驗系數(shù)等指標(biāo)滿足設(shè)計及規(guī)范要求。

建議：

(1) 嚴(yán)格限制超載[依據(jù)《福建省城市橋梁限載標(biāo)準(zhǔn)》DBJ/T13-163-2012執(zhí)行，限載40噸]、超限車輛通過，加強(qiáng)橋梁在運(yùn)營過程中的養(yǎng)護(hù)維修和按時做好定期檢測(依據(jù)CJJ99-2003第4.3.1條：常規(guī)定期檢測應(yīng)每年一次，可根據(jù)城市橋梁實際運(yùn)行狀況和結(jié)構(gòu)類型、周邊環(huán)境等適當(dāng)增加檢測次數(shù)；結(jié)構(gòu)定期檢測應(yīng)在規(guī)定的時間間隔進(jìn)行，Ⅰ類養(yǎng)護(hù)的城市橋梁間隔宜為1～2年)；

(2)在橋面及橋墩(臺)設(shè)置固定水準(zhǔn)點(diǎn)，定期監(jiān)測其沉降情況；

(3)清理各道伸縮縫內(nèi)的沉積物，疏通橋面排水系統(tǒng)，并補(bǔ)齊缺失的泄水孔蓋；

(4)對橋面兩側(cè)出現(xiàn)局部銹蝕的護(hù)欄在除銹后重新進(jìn)行涂裝，對出現(xiàn)龜裂、剝落的中央分隔帶涂裝層進(jìn)行局部修補(bǔ)；

(5) 對C2斜拉索北段PE護(hù)套局部破損處進(jìn)行修補(bǔ)，并對出現(xiàn)局部銹蝕的斜拉索下錨頭鋼護(hù)筒在除銹后重新進(jìn)行涂裝；重做或更換斜拉索下錨頭與周邊主梁頂板混凝土接縫的密封材料；

(6) 對C3斜拉索北段錨固段混凝土裂縫進(jìn)行加固處理。

[1]CJJ 99-2003，城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范[S].

[2]JTG/T J21-2011，公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程[S].

[3]JGJ/T 23-2011，回彈法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程[S].

[4]JTG D60-2004，公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[S].

[5]JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].

[6]DBJ/T13-163-2012，福建省城市橋梁限載標(biāo)準(zhǔn)[S].

Performance assessment of a single tower and single cable plane partial cable-stayed bridge

ZHUSanfan

(Xiamen Center of Engineering Inspection Co. LTD, Xiamen, 361004)

As an engineering background of a Single tower and single cable plane partial cable-stayed bridge, the performance assessment process based on the regular periodic inspection, structure inspection and static and dynamic loading test was introduced.

Single tower and single cable plane partial cable-stayed bridge; Performance assessment

朱三凡 (1982.7- )，男，工程師。

2015-02-12

TU997

A

1004-6135(2015)05-0082-06