钢管混凝土系杆拱桥的结构检测与评估

金国俊，高 振

（镇江市市政设施管理处，江苏 镇江市 212003）

0 前言

钢管混凝土拱桥是我国近年来桥梁建筑发展的新技术，具有外形美观、自重轻、跨度大、抗变形能力强等优点，但国内目前对钢管混凝土拱桥尚未出台完整的设计规范，更无成熟的使用与养护经验可供借鉴。因此，针对钢管混凝土拱桥开展结构检测与评估的研究，对其设计与养护技术发展无疑具有积极的作用。

本文针对一座下承式钢管混凝土双提篮系杆拱桥开展结构检测与评估，对该桥实施了包括外观观测，混凝土强度检测和斜吊杆索内力，钢筋锈蚀程度，保护层厚度等结构检测。为了更准确地判明结构安全性及承载能力，又实施了动、静载试验，并对其进行有限元建模与分析。最终通过综合检测、试验与分析结果，判明了其安全技术状况，为该桥的日常养护维修提供了科学依据。

1 桥梁概况

本文研究的桥梁建于2002年，为国内首座采用双提篮型式的下承式钢管混凝土系杆拱桥（见图1），单跨过河，全桥总长81 m，主拱计算跨径70 m，桥面全宽在桥台处为40m，跨中加宽到52m，人行道外侧呈圆弧状。桥梁纵向由直拱、系杆并缀以直吊杆构成主要纵向受力体系。由直接支承于承台的斜拱及斜吊杆构成辅助纵向受力体系。横向通过风撑将直拱肋与斜拱肋连成整体，并最终通过横梁将桥面连成整体，形成一个空间协同受力体系。搁置在横梁上的行车道板及现浇层等构成桥面行车系，搁置在横梁上的人行道梁、板等构成人行道系。

2 桥梁检测

2.1 桥梁外观检测

桥梁外观检测分为总体外观检测和细部构件外观检测。经检测，桥面线型与设计基本吻合，直拱肋与斜拱肋部分区域渗水，油漆剥落与局部锈蚀明显，并有进一步发展趋势；斜吊杆PE护套局部断裂，上下锚固端漏油，个别锚头漏油严重；横梁及系杆局部渗水并伴有白色结晶物，出现水蚀现象，部分区域预应力波纹管及钢筋外露锈蚀；桥梁支座钢构件锈蚀严重，伸缝装置被杂物堵塞，个别泄水管堵塞、锈蚀。

2.2 混凝土强度检测

混凝土强度以超声回弹综合法为主，按同批构件进行混凝土强度检测。由于混凝土结构不可避免地存在碳化现象，对结构强度有一定的影响，碳化程度检测结合超声回弹法检测混凝土强度时实施。经检测，混凝土碳化平均深度为：横梁为0.93 mm，系杆为0.83mm，纵梁为0.86mm。

由于在碳化均值修正后混凝土强度不小于60 MPa，故此次采用超声回弹综合法推定横梁混凝土强度值为56MPa，系杆混凝土强度为55.8 MPa，纵梁混凝土强度为49 MPa，实测强度值均大于设计值，即混凝土强度满足原设计要求。

2.3 钢筋保护层厚度检测

钢筋保护层厚度检测是采用钢筋探测仪检验第一层钢筋排列位置及钢筋保护层厚度是否符合规定。经检测，横梁横桥向（内层）钢筋净保护层厚度均大于设计值（35 mm），而竖向（外层）钢筋净保护层除一处（25.1 mm）符合原设计值，其余均偏薄，小于设计值。系杆顺桥向与竖向钢筋净保护层厚度均大于设计值。

2.4 钢筋锈蚀程度检测

钢筋的锈蚀严重影响着结构承载能力，并加速结构的损坏。本次采用电化学反应半电池电势原理对钢筋锈蚀进行定性测量。经检测，全桥共计56个测点，除2个测点电位置小于-200 mV外，其余测点电位值均大于-200 mV，表明测区内钢筋主要处于无锈蚀活动性或锈蚀活动性不确定状态，个别区域内局部钢筋有锈蚀活动性，但锈蚀状态不确定，可能出现坑蚀。

2.5 斜吊杆内力

采用频谱法测量了全桥南北两侧共计30根斜吊杆的内力值。测试结果显示，南北侧实测索力在最终张拉力上下浮动（北侧最终张拉力：360 kN，南侧最终张拉力：380 kN），除去两端短索由于测试误差等因素不予采用外，北侧索力差值变化范围为-26～47 kN，南侧索力差值变化范围为-26～16 kN，与最终张拉力基本吻合。索力具体实测分布情况见图2。

图1 钢管混凝土系杆拱桥整体图

图2 索力实测分布图

3 动、静载试验

3.1 静载试验

采用30 t加载车(见图3)进行等效加载，试验荷载均逐级递加，达到最大荷载后一次卸载。分别采用振弦应变计和光纤应变计测量应变，采用精密水准仪测量桥面的竖向变形，采用光电挠度仪测量系杆及横梁下缘变形，采用全站仪测量拱肋变形。

图3 加载车辆

静载试验各工况下所需加载车辆的数量及重量，根据设计标准活荷载产生的某工况下的最不利效应值按以下公式所定原则等效换算而得：

式中：η——静力试验荷载效率；

Sstatic——试验荷载作用下，某工况最大计算效应值；

Sdesign——设计标准活荷载不计冲击作用时产生的某试验工况的最不利计算效应；

(1+μ)——设计计算取用的冲击系数。

该桥跨的试验加载控制工况与控制截面关系如下：

（1）截面A，系杆梁跨中截面的最大正弯矩和变形工况，对称与偏载。

（2）截面B，系杆梁1/4跨截面的最大正弯矩和变形工况，对称与偏载。

（3）截面B，系杆梁1/4跨截面的最大负弯矩工况，对称与偏载。

（4）截面C，直拱肋拱顶截面最大变形工况，对称与偏载。

（5）截面D，直拱肋1/4跨截面的最大变形工况，对称与偏载。

（6）截面E，横梁1/2跨截面的最大正弯矩工况，对称与偏载。

图4为静载试验控制截面。

3.2 动载试验

动载试验主要是检测桥梁自身的动力特性和抵抗受迫振动和突发荷载的能力，分别采用脉动法测试桥梁结构的固有模态，采用强迫振动试验检测桥跨结构在车辆荷载下的抵抗受迫振动特性。其中梁体混凝土动挠度采用光电挠度进行测定，强迫振动试验采用两辆试验载重车（30 t）进行跑车。共布置12个测点（每侧6个），分别位于各跨的1/4、1/2、3/4位置处的桥面与直拱肋。脉动试验测点布置如图5。

4 有限元建模与分析

该桥有限元计算模型是通过桥梁专业软件Midas建立的，拱桥采用杆系结构计算力学模型进行建模计算分析，对于混凝土主梁、横梁和钢管斜拱肋直接采用梁单元进行模拟，对于吊杆采用只受拉的索单元进行模拟。对于钢管混凝土直拱肋先采用等效截面的方法计算出等效混凝土截面大小，然后采用梁单元模拟钢管混凝土直拱肋。全桥共计446个节点、795个单元，结构的有限元模型见图6。

图4 静载试验控制截面

图5 脉动测点立面、平面布置图（单位：m）

图6 桥梁有限元计算模型

5 试验与计算结果对比分析

在试验各工况对应的动、静载作用下，通过有限元模型计算结构各控制截面的应变、挠度及固有模态频率，再与实测的结果进行对比，从而对该桥的实际承载能力、桥梁结构的行车性能进行检定和安全评估。

实测该桥静载试验的应变和变形校验系数均满足预应力混凝土桥应变校验系数0.50～0.90，挠度校验系数0.60～1.00的限值要求。实测最大残余变形率为3.7%，满足试验规程20%的限值要求，说明桥梁的承载能力满足要求。静载试验校验系数及残余变形见表1、表2。

表1 静载试验校验系数

表2 静载试验残余变形

通过分析试验脉动数据，得到各模态的实测频率均比相同模态振型对应的计算频率大，说明结构整体刚度较好。通过测试各种强迫振动情况下的动挠度及对应的最大静载挠度，换算桥跨的冲击系数处于正常范围，实测冲击系数最大值为0.046（按规范计算为0.099），说明试验桥跨的设计冲击系数满足规定，实测固有模态基频、计算值和动载试验冲击系数见表3、表4。

表3 动载试验固有模态频率

表4 动载试验冲击系数

6 结语

该桥型造型新颖独特，结构特殊，通过本次对桥梁进行的常规检测、动静载试验及有限元分析，对桥梁结构从适用性方面、耐久性方面和安全性进行了评定。从荷载试验结果看，该桥的各项检测指标符合试验规程要求，即当前满足于设计荷载等级，但由于该桥的结构特点，吊杆及拱肋存在的安全隐患直接影响全桥的安全性，应立即组织维修。