更换吊杆后系杆拱桥受力状况评测

李 灿

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

1 系杆拱桥吊杆损坏分析

1.1 吊杆损坏机理

在系杆拱桥当中吊杆普遍具有较大的安全系数，一般不会因为强度不足而破坏。在国内众多更换吊杆工程当中，吊杆破损主要是由疲劳和腐蚀引起，部分是设计或施工导致成桥索力不合理造成（小于10%）。吊杆钢丝在设计荷载作用下不会出现应力超标问题，在汽车冲击荷载等反复荷载作用下，应力虽然小于屈服强度，也会发生疲劳破坏[1]。另外大气中水分、氧气以及其他化学成分的腐蚀也会对吊杆强度及疲劳寿命产生不利影响。疲劳及腐蚀共同作用破坏吊杆的承载能力，反复的荷载撕裂破坏吊杆周围防腐层，化学物质的腐蚀降低材料的性能。

1.2 更换吊杆保护措施

吊杆是系杆拱桥重要的传力构件，在桥梁结构正常使用中起着非常重要的作用[2]，在进行吊杆更换时必须保证结构的安全，不能因更换吊杆而损坏桥梁其他部分；吊杆更换应使结构内力与设计内力相吻合，桥跨结构的受力状态明确并处于理想的设计状态；新吊杆和锚具应进行相应的改进，避免出现原有吊杆的病害，保证新构件耐久适用，利于检查维护和必要的更换。

在吊杆更换前，首先测定各个吊杆的索力作为更换的依据，还要测量桥面标高作为桥梁的初始位置。在测定吊杆索力的时候采用振动频率法，在装有压力环的桥梁中可以读取压力环数值，并与弦振仪频率推算索力相对比。桥面线形测量一般用精密水准仪进行测量，并进行闭合复测。同时还应根据实际情况在结构上布设测点，以观察更换过程中结构状态变化。主要的监控指标有吊杆应力变化、拱脚应力状态、桥面相对标高的变化。每一个更换阶段测试一次索力，短吊杆可以采用应变计测量。

1.3 结构状态评估

完成吊杆更换后进行索力测试，与设计索力进行对比；测量桥面线形与设计成桥状态线形对比；加载之后测量主拱应力，评估新构件对整体刚度的影响；进行桥梁整体动力特性的测试，确定桥跨结构基频以及振型。

2 工程背景

某系杆拱桥全长为 52 m，全宽为 2×（12+3.35）m。设计荷载为汽车-20，挂车-100，人群荷载3.5 kN/m2。主桥为预应力混凝土系杆拱结构，拱轴线为二次抛物线，矢高11.2 m。拱肋采用等截面，拱肋高1.3 m，宽0.8 m。系杆采用矩形断面，系杆高1.7 m，宽0.9 m。每片拱架设间距4.2 m的吊杆11根。横梁高度为1.018～1.547 m，桥面2%横坡通过横梁高度变化调整。铺装层采用13 cm防水混凝土。支座采用GPZ5000系列。

图1 主桥立面布置图（单位：m）

主桥立面图如图1所示。新吊杆采用GJ-15-25钢绞线，为了测试新吊杆受力状况以及更换吊杆后桥梁整体刚度变化，现场测试工作主要进行了恒载吊杆内力测定、静载下吊杆内力测定、动载试验3项内容。

3 模型建立分析

采用MADIS 2010进行计算，该桥共825个单元。其中吊杆采用桁架单元模拟，系杆为梁单元，桥面板采用板单元。吊杆与拱肋以及系杆采用刚性连接，桥面板单元与系杆梁单元以共节点的方式进行连接。计算模型如图2所示。

图2 计算模型

4 静载受力分析

静载加载采用标重33 T自卸汽车进行布载，加载原则为：根据设计标准活荷载产生的该加载试验项目对应的控制截面内力或变位等的最不利效应值，按式（1）所确定的原则等效换算而得。

式中：η为静力试验荷载效率；SS为试验荷载作用下，某一加载试验项目对应的控制截面内力或变位等的最大计算效应值；S为设计标准活载不计冲击荷载作用时产生的该加载试验项目对应的控制截面内力或变位等的最不利计算效应值；1+μ为设计计算取用的冲击系数[3]。

4.1 桥面线形分析

桥面线形测量采用精密水准仪进行，在相应测点打入钢钉，将所测数据整理分析后得出桥面的纵向线形。桥面线形测量结果如表1所示。

表1 桥面线形测量结果分析表 mm

图3 桥梁纵断面线形图

由表1及图3可以看出，东侧桥面跨中3点标高略高于西侧。大桥加固后桥面没有突变点，竖曲线较平顺，桥面纵向线形较好。

4.2 恒载下吊杆内力

恒载作用下的吊杆内力是反映系杆拱桥恒载内力状态的一个重要参数，试验对全桥吊杆内力进行了现场测定。吊杆分为东侧和西侧吊杆，其编号从南向北依次为E-1～E-11号、W-1～W-11号。吊杆内力采用压力环测量并与索力仪校核，其中E-11号与W-5号吊索下的压力环测量数据异常，经多次测定后数值方差较大故不作参考依据。

图4 吊杆内力

设计成桥吊杆内力为680 kN，由测试结果表明，大部分吊杆恒载内力的实测结果与设计值吻合较好。实测吊杆内力值与设计值的相对误差绝对值在5%以内，表明新吊杆的受力均匀，状态良好。

4.3 静载下吊杆内力

本次静载试验是通过在桥梁上施加与设计荷载下基本相同吊杆内力的外载，利用压力环以及索力仪测试吊杆内力，了解吊杆内力是否在正常范围内。

表2 吊杆内力

由表2数据可见，控制截面各吊杆校验系数除极个别测点稍大外，绝大部分测点实测内力均小于相应的理论计算值，吊杆内力校验系数在0.61～0.92之间，均小于1，这表明吊杆的实际承载力能满足设计荷载使用要求，且有一定的安全储备。

5 桥梁振动特性

该桥在 W-2号、W-4号、W-6号、W-8号、W-10号；E-2号、E-4号、E-6号、E-8号、E-10号吊杆横截面位置，共设置5个竖向模态测试点，测试结果如表3所示。

表3 自振频率与振型特征

实测频率结果与理论计算频率比较见表3。从表中可以看出：一阶竖向振动实测值大于理论值，二阶竖向振动实测值略小于理论值，表明吊杆更换后结构整体刚度达到原结构整体刚度，由于动力特性测试频率存在一定误差，故由桥梁固有频率推定刚度作为参考。

6 结论

此桥更换吊杆后恒载下吊杆内力以及在与设计荷载相同效应下的吊杆内力基本相同，且内力分布均匀。桥梁结构竖向一阶振动频率大于理论值，桥梁二阶竖向频率小于理论计算值，说明更换后吊杆后桥梁一阶振动刚度增加，二阶振动刚度变小。因此更换吊杆后的桥梁不仅仅要求吊杆内力符合设计值，更应该进一步分析全桥整体刚度变化情况，做动力特性分析。