鋪裝層重鋪對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)性能影響的分析與評(píng)估

榮垂強(qiáng)，盧明波

（1.廣東開放大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510091；2.汕頭公路工程質(zhì)量監(jiān)督站，廣東 汕頭 515041）

0 引言

隨著時(shí)間的推移、交通量的增加和重載車輛比例的提高，我國越來越多的橋梁出現(xiàn)各種形式的損傷和破壞，定期對(duì)營運(yùn)期橋梁進(jìn)行全面的檢測(cè)進(jìn)而評(píng)定其狀態(tài)是橋梁管養(yǎng)的重要組成部分和制定維修計(jì)劃的重要依據(jù)。斜拉橋是我國大跨度橋梁的常見結(jié)構(gòu)形式，對(duì)其運(yùn)營期檢測(cè)，研究人員和工程師們開展了相關(guān)研究工作，取得了一定的成果［1-6］，但基于橋面鋪裝層的改變討論橋梁整體狀態(tài)影響的報(bào)道較少，本文以國內(nèi)某大型斜拉橋?yàn)閷?shí)例，從鋪裝層翻修的角度，通過對(duì)其翻修前后索力、線形及自振頻率測(cè)試結(jié)果的對(duì)比和分析，探討了鋪裝層重鋪對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)性能的影響。

1 橋梁概況

國內(nèi)某大橋?yàn)檎划愋园寮觿配撓淞号c PC 混凝土箱梁混合結(jié)構(gòu)斜拉橋，大橋主橋?yàn)殡p塔雙索面斜拉，主橋長(zhǎng)為 900 多 m，其中，鋼箱梁總長(zhǎng) 718 m，主跨 518 m（見圖 1），橋面全寬 30.35 m。斜拉橋主塔為鋼筋混凝土鉆石型結(jié)構(gòu)（見圖 2），每一索面各有 20 對(duì)斜拉索，索面略向內(nèi)傾，最靠近索塔的一對(duì)斜索距塔的中心線 24 m。中孔及邊孔鋼箱梁的索距為 12 m，無索區(qū)長(zhǎng) 14 m；預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁段的索距為 7 m；鋼箱梁與預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)合的索距為 9 m。

圖1 橋梁立面示意圖

該橋面原鋪裝雙層的 SMA 瀝青混凝土結(jié)構(gòu)，整橋鋪滿（包含人行道），厚度 8 cm。由于破壞，重鋪鋪裝層，新鋪裝層采用下層澆筑式瀝青混凝土 GA10＋上層 SMA10 結(jié)構(gòu)，總厚度 7 cm，且索區(qū)內(nèi)僅鋪澆筑式瀝青混凝土 GA10，人行道則完全不進(jìn)行鋪裝，僅做油漆防腐。由于新鋪裝層與原鋪裝層之間存在鋪筑面積、厚度及重量等差異，為確認(rèn)此次橋面鋪裝大修前后，橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的變化情況，進(jìn)行了如下檢測(cè)。

1）索力測(cè)試。掌握索的受力狀態(tài)。

2）線形測(cè)試。用于衡量橋梁是否發(fā)生偏移，是否處于正常受力狀態(tài)。

3）主橋振動(dòng)測(cè)試，通過橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模態(tài)反映其整體工作狀態(tài)。

2 索力測(cè)試

2.1 測(cè)試目的

斜拉索索力是衡量斜拉橋是否正常運(yùn)營的重要參數(shù)，通過索力測(cè)試，不僅能反應(yīng)索體的受力與其是否損傷，同時(shí)也可以在一定程度上反映拉索的錨固狀態(tài)及為其提供的錨固的梁體和主塔之間是否產(chǎn)生相對(duì)位置變化，故而該參數(shù)可以反映大橋的整體性能。

2.2 測(cè)試原理

拉索的索力測(cè)量常常采用振動(dòng)法，其基本原理是假定拉索為兩端鉸支張緊的弦，先測(cè)試其固有頻率，通過頻率與張力的關(guān)系式推算張力。由于對(duì)拉索的固有頻率有影響的參數(shù)不僅有拉索張力，拉索撓曲剛度、垂跨比以及索體整體傾角對(duì)其亦有影響，因此，在通過振動(dòng)頻譜法推算拉索張力時(shí)，本文采用了公式（1）進(jìn)行計(jì)算。而且，為減小橋上汽車荷載對(duì)索力測(cè)試的影響，振動(dòng)信號(hào)采集時(shí)，須盡量避免有重型車輛通過。

式中：T 為拉索的張力，N；m 為單拉索位長(zhǎng)度的質(zhì)量，kg/m；l 為拉索的長(zhǎng)度，m；f 為拉索的基頻。

2.3 索力測(cè)試結(jié)果

圖 2 與 圖 3 分別為翻修前（雙層 SMA 結(jié)構(gòu)）與翻修后（澆筑式瀝青混凝土 GA10+SMA 結(jié)構(gòu)）上游與下游實(shí)測(cè)索力圖，由圖 2 與圖 3 所知，上游與下游成對(duì)的索，他們的索力相近。圖 4 是鋪裝翻修后索力相比翻修前降低百分比圖，圖 4 顯示，翻修后，上下游斜拉索受力均為降低，但是降低幅度較小，大部分幅度在 5 % 以內(nèi)。首先，可以推斷返修后各斜拉索受力基本正常，而且，雖然新鋪裝 GA10＋SMA10 厚 7 cm，且索區(qū)僅鋪 GA10，人行道不進(jìn)行鋪裝，而原雙層 SMA 鋪裝層厚度 8 cm 且全橋滿鋪，總體而言，鋪裝重量確實(shí)有所減輕，但整體不超過 5 %，減輕較小，這與澆筑式混凝土 GA10 中采用了密度更大的玄武巖有很大關(guān)系，因?yàn)樗诤艽蟪潭壬系窒虽佈b面積變小，厚度變薄所帶來的重量降低。但是，上游 C18 索在鋪裝維修后，索力降低了 9.5 %，這與該索在鋪裝完成之后，檢測(cè)之前被過往的運(yùn)輸車輛嚴(yán)重剮蹭受損有關(guān)。

圖2 上游側(cè)鋪裝翻修前后 c 1～c 20 實(shí)測(cè)索力對(duì)比圖

圖3 下游側(cè)鋪裝翻修前后 c 1～c 20 實(shí)測(cè)索力對(duì)比圖

圖4 翻修后索力相比翻修前降低百分比

3 線形測(cè)量

3.1 測(cè)量目的與內(nèi)容

斜拉橋主塔軸向主要承受斜拉索拉力分解產(chǎn)生的豎向壓力，主梁承受恒活載引起的彎矩和拉索拉力分解后的水平向軸向力。當(dāng)主塔和主梁的實(shí)際位置偏離設(shè)計(jì)允許值時(shí)，二次附加彎矩將使得主塔、主梁進(jìn)一步地偏位。所以，主塔、主梁的線形測(cè)量結(jié)果是評(píng)估橋梁工作狀態(tài)的重要依據(jù)。

3.2 主塔測(cè)量結(jié)果

對(duì)主塔塔頂、中橫梁及承臺(tái)中，施工坐標(biāo)已知且位置開闊、無遮擋的點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，點(diǎn)位布置如圖 5 所示，順橋向定為 X 軸方向，與之垂直的方向定為 Y 軸方向，高度方向定為 Z 軸方向，各個(gè)測(cè)點(diǎn)重鋪前后的測(cè)量差值如表 1 所示。

圖5 北主塔測(cè)點(diǎn)位置布置圖

表1 主塔塔頂、中橫梁及承臺(tái)測(cè)點(diǎn)在各個(gè)方向的位移偏移量

表 1 說明，鋪裝層翻修前后，實(shí)測(cè)主塔塔頂、中橫梁及承臺(tái)的偏位與沉降的變化均在±3 mm 之內(nèi)，且正負(fù)分布隨機(jī)，考慮到儀器測(cè)試精度誤差及測(cè)試中一些偶然因素，說明主塔的偏移變化不大，可以完全忽略。

此外，該橋還進(jìn)行了主梁線形觀測(cè)，分別在上、下游側(cè)測(cè)試 2 條線形，共 168 個(gè)測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)結(jié)果顯示翻修后北邊跨實(shí)測(cè)主橋上縱坡為 3.01 %，南邊跨實(shí)測(cè)主橋上縱坡為 3.02 %。翻修前后測(cè)試縱坡無變化并與設(shè)計(jì)縱坡 3.0 % 基本一致。

4 結(jié)構(gòu)整體模態(tài)振型與頻率測(cè)試

橋梁的自振頻率是其固有特性，若橋梁低階的振動(dòng)頻率降低，則說明橋梁的整體剛度可能在減小，當(dāng)發(fā)現(xiàn)橋梁高階的局部振型的頻率有明顯變化，則說明橋梁可能受到局部的損傷導(dǎo)致其局部剛度的減小，主橋面的振動(dòng)可視為由大跨度主橋的整體低頻振動(dòng)和短跨梁較高頻率的局部振動(dòng)的合成結(jié)果，后者是由于每一梁段均有兩條斜拉索作為彈性支撐點(diǎn)而產(chǎn)生的，該橋自振特性測(cè)試試驗(yàn)的采樣參數(shù)設(shè)置為：低通截止頻率 10 Hz，采樣頻率 50 Hz，頻率分辨率為 0.012 2 Hz。

通過結(jié)構(gòu)各振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的能量自譜及互功率譜，分析得出結(jié)構(gòu)各測(cè)點(diǎn)位置的振動(dòng)頻率及各頻率點(diǎn)上的相位關(guān)系。結(jié)構(gòu)各階振型對(duì)應(yīng)的自振頻率翻修前后的實(shí)測(cè)值如表 2 所示。表 2 顯示，翻修前后，各基階頻率測(cè)值基本一致，表明重鋪前后，結(jié)構(gòu)的整體剛度和約束（支撐）體系未出現(xiàn)較為明顯的變化。

表2 實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)自振特性參數(shù)匯總表

5 結(jié)論

國內(nèi)某大橋采用下層澆筑式瀝青混凝土 GA10＋上層 SMA10 鋪裝結(jié)構(gòu)替代原來的雙層SMA鋪裝形式，雖然新的鋪裝層面積更小整體厚度更薄，但由于其所采用的澆筑式瀝青混凝土 GA10 使用了密度更大的玄武巖，重鋪后，該橋整體索力降低值僅在 5 % 之內(nèi)。而且，重鋪之后，主塔塔頂、中橫梁及承臺(tái)測(cè)點(diǎn)在各個(gè)方向未見明顯偏移，主橋線形無變化，主橋各基階頻率測(cè)值基本一致，上述結(jié)果顯示重鋪前后，該橋梁結(jié)構(gòu)的整體剛度和約束（支撐）體系未出現(xiàn)較為明顯的變化。這說明了當(dāng)新舊鋪裝層均為柔性鋪裝且整體重量接近時(shí)，橋梁的結(jié)構(gòu)狀態(tài)受影響較小。