既有混凝土斜拉橋承載能力檢測評估分析

崔洪年， 鄧 鳴

（1．天津市城市道路橋梁管理事務中心，天津 300171；2．長沙學院 土木工程學院，湖南 長沙 410003）

斜拉橋是我國大跨徑橋梁中最主要的橋型之一[1]。國內外經驗表明，隨著材料性能的降低以及交通荷載的不斷增加，混凝土斜拉橋在運營一段時間后面臨著安全性不足的問題。為保證這些橋梁的安全運營，有必要對其開展檢測評估，確定承載能力。

既有橋梁承載能力的確定，主要有結構簡算法和荷載試驗法。陳亞亮[2]通過動靜載試驗對南平岷江大橋進行了承載能力分析；趙敏等[3]以某斜拉橋為研究對象，介紹了斜拉橋的評定方法；任洪飛等[4]依據相關規范，對某橋的安全性能進行了評估。

天津某斜拉橋修建于20 世紀80 年代，是當時國內斜拉橋的代表作之一，歷經風雨服役至今已超三十年，在日益繁重的交通荷載作用下，能否保持安全運營有待深入研究。本文基于原設計荷載標準和現行公路-Ⅰ級[5]荷載標準，分別進行靜載試驗，對其承載能力進行評估。

1 工程概況

某主橋為全長512 m的雙塔雙索面、塔墩固結、連續呈漂浮體系的預應力混凝土斜拉橋，全寬14.6 m，橋跨布置為25.15 m+99.85 m+260 m+99.85 m+25.15 m；主梁高2.0 m，包括風嘴總寬14.5 m。塔高55.5 m，塔柱斜腿段為型鋼骨架混凝土空心柱，主墩為沉井基礎，其余墩臺為管樁基礎，輔助墩設拉力擺索支座；原設計荷載為汽-20級，掛-100。

2006—2007 年，該橋進行了維修加固，主要內容包括：拆除中跨合龍段、主梁線形調整、重建新的中跨合龍段、橋面鋪裝翻新、更換全橋拉索并對新索進行索力調整。2008 年底，該橋再次進行了加固，主要包括南北輔助墩拉力擺索更換、邊跨合龍段的修復及加固、索力調整等內容。

2 基于原設計荷載標準的靜載試驗

2.1 加載工況

通過采用有限元軟件Midas/Civil對該橋上部結構進行模擬，全橋主梁、主塔、承臺采用梁單元模型，截面尺寸按照原設計文件以及后期維修資料選取；索單元為只受拉桁架單元，每個斷面4 根拉索，同側2 根拉索按面積等效為單根拉索；輔助墩拉力擺為只受拉桁架單元。有限元模型共計341 個節點，224 個梁單元，92 個只受拉桁架單元；全橋實際為縱向漂浮體系，為確保有限元程序計算順利進行，在跨中添加縱向約束。見圖1。

圖1 有限元模型

以結構計算結果為基礎，設計出7 個加載工況，加載選用12臺30 t的三軸車，每個工況均采用三級加載。見表1。

表1 加載工況試驗效率

2.2 測試內容及測點布置

1）撓度測點布置。縱橋向布置于試驗孔跨箱梁的控制截面以及孔跨的L/4、L/2、3L/4 處；橫橋向布置于兩側人行道，采用電子水準儀測量。

2）應力測點布置。縱橋向同樣布置于試驗孔跨箱梁的控制截面以及孔跨的L/4、L/2、3L/4 處；橫橋向布置于兩腹板底部，每個點布設2個應變片。

2.3 測試結果分析

2.3.1 撓度

選取每個工況最大撓度的斷面進行分析，荷載作用下各工況撓度校驗系數在0.77～1.00之間，相對殘余變位均在20%以內。以工況5 為例，荷載作用下全橋線形實測值與理論值的對比結果見圖2。

圖2 工況5全橋主梁撓度對比

從圖2 可以看出，該橋實測結果與理論結果基本一致；主跨的理論值稍大于實測值，說明理論分析模型與實際結果基本相符。

2.3.2 應力

通過對各加載工況下各測點的應變計算值和實測值進行對比，得到各工況下控制截面校驗系數的最大值、最小值和平均值，見表2。

表2 各加載工況應力校驗系數

從表2 可以看出，各工況應力的校驗系數最大值為0.95，最小值為0.53。說明原設計中橋跨結構具有一定的安全儲備。

2.3.3 索力

在每個工況的加載前后均選擇變化幅度較大的斜拉索索力進行測試，見表3。

表3 各加載工況索力

從表3可以看出，除部分拉索的實測值偏大外，斜拉索索力的理論變化值和實測變化值基本一致。

從表1-表3 可以看出，該橋各控制斷面的測試數據與理論值吻合較好，橋梁結構的實際剛度滿足汽-20級，掛-100荷載使用要求。

3 基于現行公路-Ⅰ級的靜載試驗

3.1 加載工況

試驗的工況設置和測點布置均與基于原設計荷載標準的靜載試驗相同。為保證橋梁加載試驗的安全，將試驗效率控制在0.95～1.0之間，每個工況均分五級進行加載。

3.2 測試結果分析

在試驗過程中，工況2 和工況4 加載至第四級荷載時，橋梁的撓度和應力數據已經超過滿載荷載作用下的理論值。為保證結構安全，這兩個工況沒有進行第五級加載。受篇幅所限，本文列出部分工況荷載作用下的撓度和應力數據進行分析。

3.2.1 撓度

各工況荷載作用下，撓度檢測結果見表4。

表4 各工況撓度檢測結果

從表4 可以看出，工況5 荷載作用下橋梁實測撓度值變化趨勢與理論值一致并且數值接近，說明該橋整體性能良好；但在工況2 和工況4中，第四級荷載作用下撓度值分別為53.9、54.84 mm，大于滿載作用下的理論值，說明橋梁結構的剛度不滿足規范要求。

3.2.2 應力

工況2 第四級荷載作用下，控制截面應力最大值為41.4 MPa，大于滿級加載理論值39.80 MPa；工況4第四級荷載作用下，控制截面應力最大值為43.4 MPa，大于滿級加載理論值39.80 MPa。

由此可見，該橋承載能力不能滿足現行公路-Ⅰ級荷載標準。

4 結論

1）基于原設計荷載等級的靜載試驗結果表明，該橋承載能力滿足汽-20級，掛-100荷載標準。

2）基于現行公路-Ⅰ級的靜載試驗結果表明，該橋承載能力不滿足公路-Ⅰ級荷載標準。

3）在交通量日益繁重的情況下，為保證橋梁結構的安全，應對橋梁進行限載處理并在橋梁運營過程加強監測。