独塔单索面部分斜拉桥性能评估

朱三凡

(厦门市工程检测中心有限公司 福建厦门 361004)

独塔单索面部分斜拉桥性能评估

朱三凡

(厦门市工程检测中心有限公司 福建厦门 361004)

以某独塔单索面部分斜拉桥为工程背景，介绍了基于常规定期检查、结构检测、动静载试验结果进行桥梁技术状况全面评估的过程。

独塔单索面部分斜拉桥；性能评估

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引 言

部分斜拉桥是介于刚性桥型的连续梁与柔性桥型的斜拉桥之间的一种桥型，总体表现出“塔矮、梁刚、索集中”的结构特点。在部分斜拉桥中，由于主梁刚度较大，主梁是主要的承重构件，斜拉索对梁起加劲、调整受力的作用，斜拉索的恒载索力占总索力的比重较斜拉桥大，斜拉索的应力幅较小，斜拉索的疲劳问题不突出，因而斜拉索的容许应力可参考连续梁中预应力的容许值取0.6 。部分斜拉桥与连续梁相比具有结构新颖、跨越能力大、施工简单、经济等优点，与斜拉桥相比具有施工方便、节省材料、主梁刚度大等优点。随着部分斜拉桥结构的应用越来越广泛，如何对运营期桥梁进行技术评定变得越来越迫切，以下就是一个独塔单索面部分斜拉桥进行桥梁技术状况评定的实例。

1 工程概况

1.1 概况

某预应力混凝土独塔单索面部分斜拉桥(外景图见(图1)，立面图见(图2)主桥跨径组合为2×80m，墩塔梁固结，索型为单排竖琴式。主梁采用单箱三室大悬臂截面，中支点梁高3.8m，边之点梁高2.4m，梁高按二次抛物线变化，箱梁顶宽27.0m，悬臂长4.5m，箱底宽16.24～17.0m，两边腹板斜置，边室净宽7.30m ，中室净宽1.8cm，斜拉索布置在中室。主梁采用预应力结构，设有纵、横、竖三向预应力。主塔结构桥面以上高30.25m，采用实心H形截面，顺桥向宽3.5m，横桥向宽2.0m，布置在中央分隔带上，塔底采用R=4m的圆弧加宽至11.48m。每根斜拉索对应一个鞍座，斜拉索横桥向呈单排布置，鞍座亦设单排。鞍座采用双重管结构形式。双重管采用双层钢管，外管埋设于砼塔内，内管置于外管内，斜拉索穿过内管。在两侧斜拉索出口处，内外管之间设抗滑锚头，以防止内外管相对滑动。为与斜拉索过鞍座相适应，双重管采用圆弧形，弯曲半径为4.0m。

斜拉索为竖琴式单索面，布置在中央分隔带上。顺桥向集中布置在梁体的L/3跨度附近。塔根附近及跨中有一段较长的无索区，塔上索距1.57～1.54m，梁上索距4.0m。拉索采用单排索，最大索力控制在581t左右，斜拉索在塔顶通过鞍座，两侧对称锚于梁体。

设计参数：

(1)设计荷载：汽车-超20级，城-A级；验算荷载：挂车-120级；人群荷载：3.5kN/m2

(2)行车道净宽：20.0m，双向四车道；人行道净宽：2×2.0m。

根据《城市桥梁养护技术规范》CJJ99-2003，该桥应划分为Ⅰ类养护的城市桥梁(特大桥梁及特殊结构的桥梁)，养护等级为Ⅰ等(Ⅰ～Ⅲ类养护的城市桥梁)。

图1 现场实景图

图2 主桥结构立面图、静载测试截面及测点布置图(单位：m)

1.2 以外检测加固情况

在桥梁运营4年后，于2006年7月23日对该桥进行了外观检查。主要检测结论如下：经对桥梁的外观检测发现，桥塔部分出现了裂缝。桥塔上裂缝出现的位置为塔根部圆弧区，表现为塔中部顺塔向的裂缝和塔根部横桥向的裂缝，其中塔根部横桥向的裂缝在桥塔两侧均有出现。

2007年12月对该桥进行了维修加固工程，主要维修加固内容为：主桥桥塔裂缝填补及加固、桥面铺装更换、斜拉索PE套管修补、照明设施维修更换、桥梁表面油漆等内容。主桥主塔维修加固采用先填补裂缝，后粘贴碳纤维布的维修加固方法。

2 桥梁结构检查结果及技术状况评估

2.1 桥面系检查结果

主桥两侧行车道桥面铺装层均基本完好，南、北桥台处与桥接缝处均基本平顺；南、北桥台处伸缩缝处均存在不同程度的缝内沉积物阻塞现象；桥面共有两侧5处泄水孔局部堵塞、2处孔盖缺失；桥面两侧护栏多处出现局部脱漆、锈蚀；中央分隔带护栏涂装层多处龟裂、剥落。

2.2 上部结构检查结果

主梁结构均基本完好；主塔桥面以上、以下部分均基本完好；C2斜拉索北段PE护套局部破损；有7处斜拉索锚头钢护筒出现局部锈蚀现象，C4处斜拉索南段锚头处出现渗水现象，C3斜拉索北段锚固段混凝土纵向开裂(沿斜拉索方向)、开裂处流白。

2.3 下部结构检查结果

全桥各桥墩(台)均基本完好；全桥各处支座支承稳定，未发现损坏、变形，支座底板混凝土完好，无压碎开裂现象；该桥桥面铺装层、桥墩(台)、承台等未出现因地基不均匀沉降、倾斜等病害产生的开裂现象，基础周边地坪无地基土滑动或移动的迹象，可间接说明该桥的基础处于正常工作状态。

2.4 技术状况评估结果

该桥为Ⅰ类养护的城市桥梁(特大桥梁及特殊结构的桥梁)，依据CJJ99-2003的规定：Ⅰ类养护的城市桥梁应按影响结构安全状况进行评估。但是规范中未对该类桥梁如何进行结构安全状况进行详细规定，故参照Ⅱ～Ⅴ类养护的城市桥梁按CJJ99-2003中附录D按分层加权法对桥面系、上部结构、下部结构分别进行技术状况评估，再综合评估得出整个桥梁的技术状况：主桥桥面系、上部结构、下部结构的技术状况指数分别为89.25、90.75和91.50，整座桥梁结构技术状况指数为90.86，技术状况评估等级为A级(完好状态，应进行日常保养)，故主桥的完好状态可定为合格级(桥梁结构完好或结构构件有损伤，但不影响桥梁安全，应进行保养、小修。)

3 结构检测

3.1 混凝土抗压强度无损检测

主桥上部主梁腹板的混凝土强度实测值在51.2MPa～53.1MPa之间，均高于原设计混凝土强度。(注：由于检测时上述构件的砼龄期超过JGJ/T 23-2011中砼测强曲线的14d～1000d砼龄期范围，因此本次回弹法检测结果仅作为参考。)

3.2 斜拉索索力测试

部分斜拉索索力测量结果对比见表1。本次所检斜拉索索力实测值与02年竣工试验是的实测值较接近，偏差绝对值基本在10%以内，最大偏差值为10.34%；所检斜拉索索力实测值与06年实测值偏差较小，偏差绝对值在0.61%～7.42%之间，大部分偏差在5%以内。

表1 部分斜拉索索力测量结果对比

3.3 桥面线形

主桥桥面线形采用精密水准仪进行测量，测点布置在桥面行车道东、西侧及中央分隔带处，均以0#桥台1#点为基准点。本次实测桥面线形与设计线形的对比未出现明显变化。

4 静载试验

桥梁静载试验主要通过测量桥梁结构在静力荷载作用下各控制截面的应力及结构变形，以检验桥梁基本性能及工作状态(如结构的强度、刚度)，评估桥梁是否能够满足设计要求，从而确定桥梁结构实际工作状态与设计期望值是否相符。

4.1 静载检验对象

根据该桥结构特点，选取桥梁的1-1截面～4-4截面作为静载试验对象，各截面布置如(图2)所示。为了保证试验的有效性，本次试验根据理论计算的各控制截面内力影响线和实际加载汽车参数、以内力等效的原则、按最不利位置布置试验荷载，并使试验荷载效率不小于0.95且不大于1.05。经过计算确定，本次静载试验实际加载车辆需用12辆车重约为390kN的汽车(车自重+荷载重)，由测试项目及内力影响线确定的检验桥跨静载试验各工况如下：

工况1：主塔最大偏位最不利偏心布载；

工况2：主塔最大偏位最不利对称布载；

工况3：主桥主梁3-3断面最大弯矩对称布载；

工况4：主桥主梁3-3断面最大弯矩偏心布载。

4.2 检验项目及方法

4.2.1 应变测试

应变测试采用BX120-100AA型电阻应变片和DH3815N静态应变测试系统进行。主桥纵向应变测试截面为1-1、2-2、3-3、4-4截面，混凝土应变测试各个断面传感器测点布置位置如(图3)所示，全桥共布设78个静应变测点。

4.2.2 挠度测试

主桥挠度观测采用高精度平水准仪(DS05)和塔尺相结合进行，桥面水准测点布置见(图2)，桥面横向共布置2列测点，全桥共布设12个测点。

图3 主梁底面静、动态混凝土应变测点布置图

4.2.3 斜拉索索力变化测试

在静载试验过程中，采用振动法测试部分斜拉索在试验荷载作用下的索力变化。

4.2.4 主塔塔顶偏位变位测试

在主塔塔顶布置测点，利用全站仪测量各工况荷载作用下桥塔的纵向水平位移，测点布置见(图2)。

4.2.5 裂缝观测

在加载全过程中观测桥跨结构各控制截面裂缝的开展情况。

4.3 有限元模型

为了准确分析该桥的结构特性和确定最不利轮位布载，理论分析采用MIDAS CIVIL软件建立梁单元及实体单元有限元模型。

图4 主桥梁单元模型

图5 主桥实体单元模型

a)塔顶最大偏移位移影响线

b) 主塔根部最大负弯矩作用影响线

c) 主梁3-3断面最大弯矩作用影响线图6 主桥各控制断面影响线

4.4 静载试验结果与分析

(1)挠度测试结果分析

在各工况汽车荷载作用下，桥面两侧D2～D5测点实测挠度值均较理论挠度值小，其中东、西两侧各测点实测挠度最大值分别为42.04mm、39.63mm(均小于[L/600]的规范限值)，结构的变形校验系数在0.55～0.77之间。

(2)应力测试结果分析

在各工况荷载作用下，各控制截面测点的应力实测值均小于理论计算值，应力校验系数在0.14～1.00之间；

(3)主塔偏位测试结果

在各工况作用下，主塔顶部偏位的实测值均小于相应的理论计算值，校验系数在0.60～0.80之间，残余偏位为0。

(4)斜拉索索力变化情况

在各工况试验荷载作用下，所检测的斜拉索内力变化值均小于理论计算值，校验系数在0.51～0.86之间。

表2 斜拉索索力测试结果

备注：各斜拉索均采用极限抗拉强度1860MPa的高强度低松弛钢绞线组成的，其中C1～C5截面为55-7Φ5，C6～C10截面为43-7Φ5，拉索的弹性模量E=1.95×105MPa。

5 动载试验

5.1 试验方法及测点布置

通过对桥梁进行环境激励及汽车激励试验，测试桥梁结构的自振特性(自振频率)，以及测试桥梁结构在动荷载作用下的响应(动应变、冲击系数)，对测试数据整理分析并与有限元计算结果进行分析对比，以了解结构的动力特性。

主桥竖向、横向自振特性测点：通过分别在上、下游侧桥面(每跨的四分点处)布设竖向(水平向)加速度传感器，以观测桥梁竖向及扭转自振特性，全桥共18个测点，分成4个测站。

主桥汽车激励试验测点：在1-1、3-3截面主梁顶板底面布置电阻应变片(测点布置见图3)并采用北京东方振动和噪声技术研究所的DASP智能数据采集和信号分析系统测试各行车工况下动应变时程曲线。

5.2 自振特性试验结果

该桥主梁竖向前4阶、竖向扭转前2阶自振频率、振型实测与理论值比较见(表3)，各阶理论与实测振型比较见(图7)。从表中可知：理论计算的该桥主桥竖向前两阶、竖向四阶自振频率均小于实测值，说明该桥实际竖向刚度较理论值大。

表3 主桥自振特性实测结果

备注：1、本次未测得竖向三阶实测振型； 2、按JTG/T J21-2011第5.9.2条， 1.1>fm/fd≥1.0对应的评定标度为2。

(1)主桥理论计算竖向第1阶振型(099Hz)(2)主桥实测竖向第1阶振型(116Hz)(3)主桥理论计算竖向第2阶振型(169Hz)(4)主桥实测竖向第2阶振型(173Hz)未测得(5)主桥理论计算竖向第3阶振型(2865Hz)主桥实测竖向第3阶振型(6)主桥理论计算竖向第4阶振型(4480Hz)(7)主桥实测竖向第4阶振型(4608Hz)(8)主桥理论计算扭转第1阶振型(390Hz)(9)主桥实测扭转第1阶振型(371Hz)(10)主桥理论计算扭转一阶振型(392Hz)(11)主桥实测扭转二阶振型(409Hz)

5.3 车辆激振动力相应测试结果分析

分别以静载测试车辆1辆作为动载车辆，测试汽车激励(主桥的测试行车速度分别为5km/h、10km/h、20km/h、30km/h、40km/h)对桥梁结构产生的动应变曲线。由于该主桥刚度较大，在一辆重车作用下，箱梁顶、底板应力变化量较小，因此所测动应变数据并不可靠，无法对跑车试验结果做定量分析。

6 结语

综上，通过现场静动载试验和对试验结果进行分析，结合理论模型计算结果，现阶段该桥上部主体结构在原设计荷载(汽车-超20级、挂-120级、城-A级汽车荷载)的作用下总体处于弹性工作状态，竖向刚度(应力、挠度、自振频率)、校验系数等指标满足设计及规范要求。

建议：

(1) 严格限制超载[依据《福建省城市桥梁限载标准》DBJ/T13-163-2012执行，限载40吨]、超限车辆通过，加强桥梁在运营过程中的养护维修和按时做好定期检测(依据CJJ99-2003第4.3.1条：常规定期检测应每年一次，可根据城市桥梁实际运行状况和结构类型、周边环境等适当增加检测次数；结构定期检测应在规定的时间间隔进行，Ⅰ类养护的城市桥梁间隔宜为1～2年)；

(2)在桥面及桥墩(台)设置固定水准点，定期监测其沉降情况；

(3)清理各道伸缩缝内的沉积物，疏通桥面排水系统，并补齐缺失的泄水孔盖；

(4)对桥面两侧出现局部锈蚀的护栏在除锈后重新进行涂装，对出现龟裂、剥落的中央分隔带涂装层进行局部修补；

(5) 对C2斜拉索北段PE护套局部破损处进行修补，并对出现局部锈蚀的斜拉索下锚头钢护筒在除锈后重新进行涂装；重做或更换斜拉索下锚头与周边主梁顶板混凝土接缝的密封材料；

(6) 对C3斜拉索北段锚固段混凝土裂缝进行加固处理。

[1]CJJ 99-2003，城市桥梁养护技术规范[S].

[2]JTG/T J21-2011，公路桥梁承载能力检测评定规程[S].

[3]JGJ/T 23-2011，回弹法检测混凝土抗压强度技术规程[S].

[4]JTG D60-2004，公路桥涵设计通用规范[S].

[5]JTG D62-2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[6]DBJ/T13-163-2012，福建省城市桥梁限载标准[S].

Performance assessment of a single tower and single cable plane partial cable-stayed bridge

ZHUSanfan

(Xiamen Center of Engineering Inspection Co. LTD, Xiamen, 361004)

As an engineering background of a Single tower and single cable plane partial cable-stayed bridge, the performance assessment process based on the regular periodic inspection, structure inspection and static and dynamic loading test was introduced.

Single tower and single cable plane partial cable-stayed bridge; Performance assessment

朱三凡 (1982.7- )，男，工程师。

2015-02-12

TU997

A

1004-6135(2015)05-0082-06