更換吊桿后系桿拱橋受力狀況評測

李 燦

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

1 系桿拱橋吊桿損壞分析

1.1 吊桿損壞機理

在系桿拱橋當中吊桿普遍具有較大的安全系數，一般不會因為強度不足而破壞。在國內眾多更換吊桿工程當中，吊桿破損主要是由疲勞和腐蝕引起，部分是設計或施工導致成橋索力不合理造成（小于10%）。吊桿鋼絲在設計荷載作用下不會出現應力超標問題，在汽車沖擊荷載等反復荷載作用下，應力雖然小于屈服強度，也會發生疲勞破壞[1]。另外大氣中水分、氧氣以及其他化學成分的腐蝕也會對吊桿強度及疲勞壽命產生不利影響。疲勞及腐蝕共同作用破壞吊桿的承載能力，反復的荷載撕裂破壞吊桿周圍防腐層，化學物質的腐蝕降低材料的性能。

1.2 更換吊桿保護措施

吊桿是系桿拱橋重要的傳力構件，在橋梁結構正常使用中起著非常重要的作用[2]，在進行吊桿更換時必須保證結構的安全，不能因更換吊桿而損壞橋梁其他部分；吊桿更換應使結構內力與設計內力相吻合，橋跨結構的受力狀態明確并處于理想的設計狀態；新吊桿和錨具應進行相應的改進，避免出現原有吊桿的病害，保證新構件耐久適用，利于檢查維護和必要的更換。

在吊桿更換前，首先測定各個吊桿的索力作為更換的依據，還要測量橋面標高作為橋梁的初始位置。在測定吊桿索力的時候采用振動頻率法，在裝有壓力環的橋梁中可以讀取壓力環數值，并與弦振儀頻率推算索力相對比。橋面線形測量一般用精密水準儀進行測量，并進行閉合復測。同時還應根據實際情況在結構上布設測點，以觀察更換過程中結構狀態變化。主要的監控指標有吊桿應力變化、拱腳應力狀態、橋面相對標高的變化。每一個更換階段測試一次索力，短吊桿可以采用應變計測量。

1.3 結構狀態評估

完成吊桿更換后進行索力測試，與設計索力進行對比；測量橋面線形與設計成橋狀態線形對比；加載之后測量主拱應力，評估新構件對整體剛度的影響；進行橋梁整體動力特性的測試，確定橋跨結構基頻以及振型。

2 工程背景

某系桿拱橋全長為 52 m，全寬為 2×（12+3.35）m。設計荷載為汽車-20，掛車-100，人群荷載3.5 kN/m2。主橋為預應力混凝土系桿拱結構，拱軸線為二次拋物線，矢高11.2 m。拱肋采用等截面，拱肋高1.3 m，寬0.8 m。系桿采用矩形斷面，系桿高1.7 m，寬0.9 m。每片拱架設間距4.2 m的吊桿11根。橫梁高度為1.018～1.547 m，橋面2%橫坡通過橫梁高度變化調整。鋪裝層采用13 cm防水混凝土。支座采用GPZ5000系列。

圖1 主橋立面布置圖（單位：m）

主橋立面圖如圖1所示。新吊桿采用GJ-15-25鋼絞線，為了測試新吊桿受力狀況以及更換吊桿后橋梁整體剛度變化，現場測試工作主要進行了恒載吊桿內力測定、靜載下吊桿內力測定、動載試驗3項內容。

3 模型建立分析

采用MADIS 2010進行計算，該橋共825個單元。其中吊桿采用桁架單元模擬，系桿為梁單元，橋面板采用板單元。吊桿與拱肋以及系桿采用剛性連接，橋面板單元與系桿梁單元以共節點的方式進行連接。計算模型如圖2所示。

圖2 計算模型

4 靜載受力分析

靜載加載采用標重33 T自卸汽車進行布載，加載原則為：根據設計標準活荷載產生的該加載試驗項目對應的控制截面內力或變位等的最不利效應值，按式（1）所確定的原則等效換算而得。

式中：η為靜力試驗荷載效率；SS為試驗荷載作用下，某一加載試驗項目對應的控制截面內力或變位等的最大計算效應值；S為設計標準活載不計沖擊荷載作用時產生的該加載試驗項目對應的控制截面內力或變位等的最不利計算效應值；1+μ為設計計算取用的沖擊系數[3]。

4.1 橋面線形分析

橋面線形測量采用精密水準儀進行，在相應測點打入鋼釘，將所測數據整理分析后得出橋面的縱向線形。橋面線形測量結果如表1所示。

表1 橋面線形測量結果分析表 mm

圖3 橋梁縱斷面線形圖

由表1及圖3可以看出，東側橋面跨中3點標高略高于西側。大橋加固后橋面沒有突變點，豎曲線較平順，橋面縱向線形較好。

4.2 恒載下吊桿內力

恒載作用下的吊桿內力是反映系桿拱橋恒載內力狀態的一個重要參數，試驗對全橋吊桿內力進行了現場測定。吊桿分為東側和西側吊桿，其編號從南向北依次為E-1～E-11號、W-1～W-11號。吊桿內力采用壓力環測量并與索力儀校核，其中E-11號與W-5號吊索下的壓力環測量數據異常，經多次測定后數值方差較大故不作參考依據。

圖4 吊桿內力

設計成橋吊桿內力為680 kN，由測試結果表明，大部分吊桿恒載內力的實測結果與設計值吻合較好。實測吊桿內力值與設計值的相對誤差絕對值在5%以內，表明新吊桿的受力均勻，狀態良好。

4.3 靜載下吊桿內力

本次靜載試驗是通過在橋梁上施加與設計荷載下基本相同吊桿內力的外載，利用壓力環以及索力儀測試吊桿內力，了解吊桿內力是否在正常范圍內。

表2 吊桿內力

由表2數據可見，控制截面各吊桿校驗系數除極個別測點稍大外，絕大部分測點實測內力均小于相應的理論計算值，吊桿內力校驗系數在0.61～0.92之間，均小于1，這表明吊桿的實際承載力能滿足設計荷載使用要求，且有一定的安全儲備。

5 橋梁振動特性

該橋在 W-2號、W-4號、W-6號、W-8號、W-10號；E-2號、E-4號、E-6號、E-8號、E-10號吊桿橫截面位置，共設置5個豎向模態測試點，測試結果如表3所示。

表3 自振頻率與振型特征

實測頻率結果與理論計算頻率比較見表3。從表中可以看出：一階豎向振動實測值大于理論值，二階豎向振動實測值略小于理論值，表明吊桿更換后結構整體剛度達到原結構整體剛度，由于動力特性測試頻率存在一定誤差，故由橋梁固有頻率推定剛度作為參考。

6 結論

此橋更換吊桿后恒載下吊桿內力以及在與設計荷載相同效應下的吊桿內力基本相同，且內力分布均勻。橋梁結構豎向一階振動頻率大于理論值，橋梁二階豎向頻率小于理論計算值，說明更換后吊桿后橋梁一階振動剛度增加，二階振動剛度變小。因此更換吊桿后的橋梁不僅僅要求吊桿內力符合設計值，更應該進一步分析全橋整體剛度變化情況，做動力特性分析。