獨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)

獨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)

以某獨塔單索面部分斜拉橋為工程背景，介紹了基于常規定期檢查、結構檢測、動靜載試驗結果進行橋梁技術狀況全面評估的過程。

獨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梁與柔性橋型的斜拉橋之間的一種橋型，總體表現出“塔矮、梁剛、索集中”的結構特點。在部分斜拉橋中，由于主梁剛度較大，主梁是主要的承重構件，斜拉索對梁起加勁、調整受力的作用，斜拉索的恒載索力占總索力的比重較斜拉橋大，斜拉索的應力幅較小，斜拉索的疲勞問題不突出，因而斜拉索的容許應力可參考連續梁中預應力的容許值取0.6 。部分斜拉橋與連續梁相比具有結構新穎、跨越能力大、施工簡單、經濟等優點，與斜拉橋相比具有施工方便、節省材料、主梁剛度大等優點。隨著部分斜拉橋結構的應用越來越廣泛，如何對運營期橋梁進行技術評定變得越來越迫切，以下就是一個獨塔單索面部分斜拉橋進行橋梁技術狀況評定的實例。

1 工程概況

1.1 概況

某預應力混凝土獨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，索型為單排豎琴式。主梁采用單箱三室大懸臂截面，中支點梁高3.8m，邊之點梁高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。主梁采用預應力結構，設有縱、橫、豎三向預應力。主塔結構橋面以上高30.25m，采用實心H形截面，順橋向寬3.5m，橫橋向寬2.0m，布置在中央分隔帶上，塔底采用R=4m的圓弧加寬至11.48m。每根斜拉索對應一個鞍座，斜拉索橫橋向呈單排布置，鞍座亦設單排。鞍座采用雙重管結構形式。雙重管采用雙層鋼管，外管埋設于砼塔內，內管置于外管內，斜拉索穿過內管。在兩側斜拉索出口處，內外管之間設抗滑錨頭，以防止內外管相對滑動。為與斜拉索過鞍座相適應，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，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，兩側對稱錨于梁體。

設計參數：

(1)設計荷載：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《城市橋梁養護技術規范》CJJ99-2003，該橋應劃分為Ⅰ類養護的城市橋梁(特大橋梁及特殊結構的橋梁)，養護等級為Ⅰ等(Ⅰ～Ⅲ類養護的城市橋梁)。

圖1 現場實景圖

圖2 主橋結構立面圖、靜載測試截面及測點布置圖(單位：m)

1.2 以外檢測加固情況

在橋梁運營4年后，于2006年7月23日對該橋進行了外觀檢查。主要檢測結論如下：經對橋梁的外觀檢測發現，橋塔部分出現了裂縫。橋塔上裂縫出現的位置為塔根部圓弧區，表現為塔中部順塔向的裂縫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均有出現。

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

2 橋梁結構檢查結果及技術狀況評估

2.1 橋面系檢查結果

主橋兩側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沉積物阻塞現象；橋面共有兩側5處泄水孔局部堵塞、2處孔蓋缺失；橋面兩側護欄多處出現局部脫漆、銹蝕；中央分隔帶護欄涂裝層多處龜裂、剝落。

2.2 上部結構檢查結果

主梁結構均基本完好；主塔橋面以上、以下部分均基本完好；C2斜拉索北段PE護套局部破損；有7處斜拉索錨頭鋼護筒出現局部銹蝕現象，C4處斜拉索南段錨頭處出現滲水現象，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 下部結構檢查結果

全橋各橋墩(臺)均基本完好；全橋各處支座支承穩定，未發現損壞、變形，支座底板混凝土完好，無壓碎開裂現象；該橋橋面鋪裝層、橋墩(臺)、承臺等未出現因地基不均勻沉降、傾斜等病害產生的開裂現象，基礎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處于正常工作狀態。

2.4 技術狀況評估結果

該橋為Ⅰ類養護的城市橋梁(特大橋梁及特殊結構的橋梁)，依據CJJ99-2003的規定：Ⅰ類養護的城市橋梁應按影響結構安全狀況進行評估。但是規范中未對該類橋梁如何進行結構安全狀況進行詳細規定，故參照Ⅱ～Ⅴ類養護的城市橋梁按CJJ99-2003中附錄D按分層加權法對橋面系、上部結構、下部結構分別進行技術狀況評估，再綜合評估得出整個橋梁的技術狀況：主橋橋面系、上部結構、下部結構的技術狀況指數分別為89.25、90.75和91.50，整座橋梁結構技術狀況指數為90.86，技術狀況評估等級為A級(完好狀態，應進行日常保養)，故主橋的完好狀態可定為合格級(橋梁結構完好或結構構件有損傷，但不影響橋梁安全，應進行保養、小修。)

3 結構檢測

3.1 混凝土抗壓強度無損檢測

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

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，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。

表1 部分斜拉索索力測量結果對比

3.3 橋面線形

主橋橋面線形采用精密水準儀進行測量，測點布置在橋面行車道東、西側及中央分隔帶處，均以0#橋臺1#點為基準點。本次實測橋面線形與設計線形的對比未出現明顯變化。

4 靜載試驗

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

4.1 靜載檢驗對象

根據該橋結構特點，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，本次試驗根據理論計算的各控制截面內力影響線和實際加載汽車參數、以內力等效的原則、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 應變測試

應變測試采用BX120-100AA型電阻應變片和DH3815N靜態應變測試系統進行。主橋縱向應變測試截面為1-1、2-2、3-3、4-4截面，混凝土應變測試各個斷面傳感器測點布置位置如(圖3)所示，全橋共布設78個靜應變測點。

4.2.2 撓度測試

主橋撓度觀測采用高精度平水準儀(DS05)和塔尺相結合進行，橋面水準測點布置見(圖2)，橋面橫向共布置2列測點，全橋共布設12個測點。

圖3 主梁底面靜、動態混凝土應變測點布置圖

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，利用全站儀測量各工況荷載作用下橋塔的縱向水平位移，測點布置見(圖2)。

4.2.5 裂縫觀測

在加載全過程中觀測橋跨結構各控制截面裂縫的開展情況。

4.3 有限元模型

為了準確分析該橋的結構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 主橋實體單元模型

a)塔頂最大偏移位移影響線

b) 主塔根部最大負彎矩作用影響線

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 靜載試驗結果與分析

(1)撓度測試結果分析

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

(2)應力測試結果分析

在各工況荷載作用下，各控制截面測點的應力實測值均小于理論計算值，應力校驗系數在0.14～1.00之間；

(3)主塔偏位測試結果

在各工況作用下，主塔頂部偏位的實測值均小于相應的理論計算值，校驗系數在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，所檢測的斜拉索內力變化值均小于理論計算值，校驗系數在0.51～0.86之間。

表2 斜拉索索力測試結果

備注：各斜拉索均采用極限抗拉強度1860MPa的高強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 試驗方法及測點布置

通過對橋梁進行環境激勵及汽車激勵試驗，測試橋梁結構的自振特性(自振頻率)，以及測試橋梁結構在動荷載作用下的響應(動應變、沖擊系數)，對測試數據整理分析并與有限元計算結果進行分析對比，以了解結構的動力特性。

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

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

5.2 自振特性試驗結果

該橋主梁豎向前4階、豎向扭轉前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，說明該橋實際豎向剛度較理論值大。

表3 主橋自振特性實測結果

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對應的評定標度為2。

(1)主橋理論計算豎向第1階振型(099Hz)(2)主橋實測豎向第1階振型(116Hz)(3)主橋理論計算豎向第2階振型(169Hz)(4)主橋實測豎向第2階振型(173Hz)未測得(5)主橋理論計算豎向第3階振型(2865Hz)主橋實測豎向第3階振型(6)主橋理論計算豎向第4階振型(4480Hz)(7)主橋實測豎向第4階振型(4608Hz)(8)主橋理論計算扭轉第1階振型(390Hz)(9)主橋實測扭轉第1階振型(371Hz)(10)主橋理論計算扭轉一階振型(392Hz)(11)主橋實測扭轉二階振型(409Hz)

5.3 車輛激振動力相應測試結果分析

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)對橋梁結構產生的動應變曲線。由于該主橋剛度較大，在一輛重車作用下，箱梁頂、底板應力變化量較小，因此所測動應變數據并不可靠，無法對跑車試驗結果做定量分析。

6 結語

綜上，通過現場靜動載試驗和對試驗結果進行分析，結合理論模型計算結果，現階段該橋上部主體結構在原設計荷載(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，豎向剛度(應力、撓度、自振頻率)、校驗系數等指標滿足設計及規范要求。

建議：

(1) 嚴格限制超載[依據《福建省城市橋梁限載標準》DBJ/T13-163-2012執行，限載40噸]、超限車輛通過，加強橋梁在運營過程中的養護維修和按時做好定期檢測(依據CJJ99-2003第4.3.1條：常規定期檢測應每年一次，可根據城市橋梁實際運行狀況和結構類型、周邊環境等適當增加檢測次數；結構定期檢測應在規定的時間間隔進行，Ⅰ類養護的城市橋梁間隔宜為1～2年)；

(2)在橋面及橋墩(臺)設置固定水準點，定期監測其沉降情況；

(3)清理各道伸縮縫內的沉積物，疏通橋面排水系統，并補齊缺失的泄水孔蓋；

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

(5) 對C2斜拉索北段PE護套局部破損處進行修補，并對出現局部銹蝕的斜拉索下錨頭鋼護筒在除銹后重新進行涂裝；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行加固處理。

[1]CJJ 99-2003，城市橋梁養護技術規范[S].

[2]JTG/T J21-2011，公路橋梁承載能力檢測評定規程[S].

[3]JGJ/T 23-2011，回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程[S].

[4]JTG D60-2004，公路橋涵設計通用規范[S].

[5]JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

[6]DBJ/T13-163-2012，福建省城市橋梁限載標準[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