铺装层重铺对桥梁结构性能影响的分析与评估

荣垂强，卢明波

（1.广东开放大学工程技术学院，广东 广州 510091；2.汕头公路工程质量监督站，广东 汕头 515041）

0 引言

随着时间的推移、交通量的增加和重载车辆比例的提高，我国越来越多的桥梁出现各种形式的损伤和破坏，定期对营运期桥梁进行全面的检测进而评定其状态是桥梁管养的重要组成部分和制定维修计划的重要依据。斜拉桥是我国大跨度桥梁的常见结构形式，对其运营期检测，研究人员和工程师们开展了相关研究工作，取得了一定的成果［1-6］，但基于桥面铺装层的改变讨论桥梁整体状态影响的报道较少，本文以国内某大型斜拉桥为实例，从铺装层翻修的角度，通过对其翻修前后索力、线形及自振频率测试结果的对比和分析，探讨了铺装层重铺对桥梁结构性能的影响。

1 桥梁概况

国内某大桥为正交异性板加劲钢箱梁与 PC 混凝土箱梁混合结构斜拉桥，大桥主桥为双塔双索面斜拉，主桥长为 900 多 m，其中，钢箱梁总长 718 m，主跨 518 m（见图 1），桥面全宽 30.35 m。斜拉桥主塔为钢筋混凝土钻石型结构（见图 2），每一索面各有 20 对斜拉索，索面略向内倾，最靠近索塔的一对斜索距塔的中心线 24 m。中孔及边孔钢箱梁的索距为 12 m，无索区长 14 m；预应力混凝土箱梁段的索距为 7 m；钢箱梁与预应力混凝土箱梁结合的索距为 9 m。

图1 桥梁立面示意图

该桥面原铺装双层的 SMA 沥青混凝土结构，整桥铺满（包含人行道），厚度 8 cm。由于破坏，重铺铺装层，新铺装层采用下层浇筑式沥青混凝土 GA10＋上层 SMA10 结构，总厚度 7 cm，且索区内仅铺浇筑式沥青混凝土 GA10，人行道则完全不进行铺装，仅做油漆防腐。由于新铺装层与原铺装层之间存在铺筑面积、厚度及重量等差异，为确认此次桥面铺装大修前后，桥梁结构状态的变化情况，进行了如下检测。

1）索力测试。掌握索的受力状态。

2）线形测试。用于衡量桥梁是否发生偏移，是否处于正常受力状态。

3）主桥振动测试，通过桥梁结构的振动模态反映其整体工作状态。

2 索力测试

2.1 测试目的

斜拉索索力是衡量斜拉桥是否正常运营的重要参数，通过索力测试，不仅能反应索体的受力与其是否损伤，同时也可以在一定程度上反映拉索的锚固状态及为其提供的锚固的梁体和主塔之间是否产生相对位置变化，故而该参数可以反映大桥的整体性能。

2.2 测试原理

拉索的索力测量常常采用振动法，其基本原理是假定拉索为两端铰支张紧的弦，先测试其固有频率，通过频率与张力的关系式推算张力。由于对拉索的固有频率有影响的参数不仅有拉索张力，拉索挠曲刚度、垂跨比以及索体整体倾角对其亦有影响，因此，在通过振动频谱法推算拉索张力时，本文采用了公式（1）进行计算。而且，为减小桥上汽车荷载对索力测试的影响，振动信号采集时，须尽量避免有重型车辆通过。

式中：T 为拉索的张力，N；m 为单拉索位长度的质量，kg/m；l 为拉索的长度，m；f 为拉索的基频。

2.3 索力测试结果

图 2 与 图 3 分别为翻修前（双层 SMA 结构）与翻修后（浇筑式沥青混凝土 GA10+SMA 结构）上游与下游实测索力图，由图 2 与图 3 所知，上游与下游成对的索，他们的索力相近。图 4 是铺装翻修后索力相比翻修前降低百分比图，图 4 显示，翻修后，上下游斜拉索受力均为降低，但是降低幅度较小，大部分幅度在 5 % 以内。首先，可以推断返修后各斜拉索受力基本正常，而且，虽然新铺装 GA10＋SMA10 厚 7 cm，且索区仅铺 GA10，人行道不进行铺装，而原双层 SMA 铺装层厚度 8 cm 且全桥满铺，总体而言，铺装重量确实有所减轻，但整体不超过 5 %，减轻较小，这与浇筑式混凝土 GA10 中采用了密度更大的玄武岩有很大关系，因为它在很大程度上抵消了铺装面积变小，厚度变薄所带来的重量降低。但是，上游 C18 索在铺装维修后，索力降低了 9.5 %，这与该索在铺装完成之后，检测之前被过往的运输车辆严重剐蹭受损有关。

图2 上游侧铺装翻修前后 c 1～c 20 实测索力对比图

图3 下游侧铺装翻修前后 c 1～c 20 实测索力对比图

图4 翻修后索力相比翻修前降低百分比

3 线形测量

3.1 测量目的与内容

斜拉桥主塔轴向主要承受斜拉索拉力分解产生的竖向压力，主梁承受恒活载引起的弯矩和拉索拉力分解后的水平向轴向力。当主塔和主梁的实际位置偏离设计允许值时，二次附加弯矩将使得主塔、主梁进一步地偏位。所以，主塔、主梁的线形测量结果是评估桥梁工作状态的重要依据。

3.2 主塔测量结果

对主塔塔顶、中横梁及承台中，施工坐标已知且位置开阔、无遮挡的点进行观测，点位布置如图 5 所示，顺桥向定为 X 轴方向，与之垂直的方向定为 Y 轴方向，高度方向定为 Z 轴方向，各个测点重铺前后的测量差值如表 1 所示。

图5 北主塔测点位置布置图

表1 主塔塔顶、中横梁及承台测点在各个方向的位移偏移量

表 1 说明，铺装层翻修前后，实测主塔塔顶、中横梁及承台的偏位与沉降的变化均在±3 mm 之内，且正负分布随机，考虑到仪器测试精度误差及测试中一些偶然因素，说明主塔的偏移变化不大，可以完全忽略。

此外，该桥还进行了主梁线形观测，分别在上、下游侧测试 2 条线形，共 168 个测点，观测结果显示翻修后北边跨实测主桥上纵坡为 3.01 %，南边跨实测主桥上纵坡为 3.02 %。翻修前后测试纵坡无变化并与设计纵坡 3.0 % 基本一致。

4 结构整体模态振型与频率测试

桥梁的自振频率是其固有特性，若桥梁低阶的振动频率降低，则说明桥梁的整体刚度可能在减小，当发现桥梁高阶的局部振型的频率有明显变化，则说明桥梁可能受到局部的损伤导致其局部刚度的减小，主桥面的振动可视为由大跨度主桥的整体低频振动和短跨梁较高频率的局部振动的合成结果，后者是由于每一梁段均有两条斜拉索作为弹性支撑点而产生的，该桥自振特性测试试验的采样参数设置为：低通截止频率 10 Hz，采样频率 50 Hz，频率分辨率为 0.012 2 Hz。

通过结构各振动测点的能量自谱及互功率谱，分析得出结构各测点位置的振动频率及各频率点上的相位关系。结构各阶振型对应的自振频率翻修前后的实测值如表 2 所示。表 2 显示，翻修前后，各基阶频率测值基本一致，表明重铺前后，结构的整体刚度和约束（支撑）体系未出现较为明显的变化。

表2 实测结构自振特性参数汇总表

5 结论

国内某大桥采用下层浇筑式沥青混凝土 GA10＋上层 SMA10 铺装结构替代原来的双层SMA铺装形式，虽然新的铺装层面积更小整体厚度更薄，但由于其所采用的浇筑式沥青混凝土 GA10 使用了密度更大的玄武岩，重铺后，该桥整体索力降低值仅在 5 % 之内。而且，重铺之后，主塔塔顶、中横梁及承台测点在各个方向未见明显偏移，主桥线形无变化，主桥各基阶频率测值基本一致，上述结果显示重铺前后，该桥梁结构的整体刚度和约束（支撑）体系未出现较为明显的变化。这说明了当新旧铺装层均为柔性铺装且整体重量接近时，桥梁的结构状态受影响较小。