某双塔地锚式悬索桥检测与评估

■廖智敏

（福建省交通建设工程试验检测有限公司，福州 350004）

1 工程概况

某双塔地锚式悬索桥，由主桥和引桥组成，主桥为单孔双塔悬索桥，跨径186 m，矢跨比1/10，上部结构为钢筋混凝土加劲桁，下部结构为索塔，扩大基础。 引桥在主桥两侧各设一孔钢筋混凝土空心板梁， 上部结构分别为1 m×10 m 和1 m×13 m 的钢筋混凝土空心板， 下部结构为U 型台，扩大基础。 该桥立面及横断面布置分别如图1、2所示。 主桥加劲桁架采用C30 混凝土， 索塔采用C25 混凝土， 索塔基础要求嵌入弱风化凝灰熔岩不小于1 m。 主桥在加劲桁与索塔连接处、引桥与索塔连接处各设1 道伸缩缝， 全桥共设4 道伸缩缝。 全桥共2 根主缆、46 对吊索，其中，主缆采用24Φ42（7×19）镀锌高强钢丝绳，吊索采用Φ42（7×19）镀锌高强钢丝绳。

图1 该桥立面布置图

图2 该桥横断面布置图

2 大桥主要设计参数

该桥设计荷载：汽车-20 级，挂车-100，人群荷载3.5 kN/m2。 主桥总宽为6.60 m，净宽5.90 m。 根据该桥的竣工资料，其设计为单车道。 故本次按单车道进行承载能力检算。

3 桥梁现状病害检查

（1）混凝土加劲桁架较多数构件混凝土质量较差，且多处出现钢筋锈胀，混凝土剥落现象；加劲桁架梁部分下弦杆有受拉而产生的裂缝；加劲桁架表面均被碳化，最大碳化深度4 mm，小于该桥设计的钢筋保护层厚度。 （2）主缆内部玻璃纤维及防腐黄油未见明显破坏、老化，内部镀锌钢丝绳表面状况完好；南、北两侧塔顶防护铁皮接头密封不到位；两侧索塔索鞍上下座板都有不同程度的位移；索鞍下座板及部分锚固螺栓锈蚀表层油漆剥落， 锈蚀严重。 全桥吊索索体镀锌钢丝表面有少量锌腐蚀亮斑，失去光泽；上下锚头未发现明显缺陷、下锚头钢垫板及螺栓表层有轻微锈蚀现象；吊索下部与加劲梁连接处连接锚头螺杆（系杆）、螺帽、钢垫板均存在不同程度锈蚀、漆皮剥落。 （3）主缆背索的24 根Φ42（7×19）镀锌高强钢丝绳分别于拉杆连接锚固于桥头两侧基岩上，钢丝绳与拉杆锚固连接区域目前已被混凝土块密封。 经检查，4 个锚室底部均积水，且淹没底部第一、二块拉杆加固混凝土块，加固混凝土块表面未见裂缝，主缆防护包裹材料大部分完好，部分散索端部玻璃纤维布局部破损，防腐油脂未见明显老化。 （4）两侧主缆边跨为空心板结构，经检查，发现翼缘板及腹板存在56 处锈胀露筋，长度在0.02～0.15 mm，4 处混凝土剥落露筋， 面积为0.05×0.05～0.30×0.15 m2， 发现空心板梁底24 条横向裂缝，长度为0.3～0.8 m，缝宽为0.07～0.10 mm。两侧桥台工作状况较好， 四氟板支座存在滑移、开裂病害。

4 桥梁材质状况与状态参数检测

4.1 桥梁几何形态参数检测

4.1.1 主缆矢高测试结果

主缆矢高的测试主要使用徕卡Nova TS50I 全站仪及棱镜，棱镜分别置于索塔索鞍中心处主缆上缘垫块上，跨中置于主缆镀锌铁皮防护套顶面。 由表1 可知：本次实测矢高与设计矢高相比，相对差值在1.0%～1.3%。

表1 主缆矢高测试结果

4.1.2 主桥桥面相对标高测试结果

桥面相对标高测点位置纵向布置于钢筋混凝土加劲桁梁端支座中心以及每根吊杆中心，横向布置于桥面两侧栏杆内侧位置。 由图3 可知：该桥现状显示桥面线形平顺，桥面上、下游相对标高基本一致。

图3 上、下游两侧主桥桥面线形图

4.1.3 主缆线形测试结果

主缆线形测试分别对上游侧主缆、下游侧主缆进行测量。 由图4 可知：上、下游两侧主缆线形相对高程基本一致。

图4 上、下游两侧主缆线形相对高程图

4.1.4 吊杆垂直度检测

吊杆垂直度测点布置在吊杆任意上、 下两个点，通过测试两点纵桥向和横桥向相对距离及高差，计算得到吊杆垂直度。 本次检测随机选取10 根吊杆进行垂直度检测，由表2 可知：吊杆实测纵桥向垂直度在0.03%～0.43%， 横桥向垂直度在0.00%～0.14%。

表2 吊杆垂直度检测结果

4.1.5 主塔垂直度测试结果

主塔垂直度测点布置在上、 下游侧上塔柱顶、上塔柱底同一面上、 下两个棱镜， 通过使用徕卡Nova TS50I 全站仪测试两点纵桥向和横桥向相对距离及高差，计算得到主塔垂直度，测点布置如图5 所示。 由表3 可知：本次实测主塔垂直度与设计塔柱垂直度基本一致。综上所述， 通过对该桥几何形态参数的测试，可以综合评定该桥未发生明显下挠及扭转变形。

图5 主塔垂直度测点布置

表3 主塔垂直度测试结果

4.2 无损检测

无损检测主要针对该桥混凝土加劲桁梁及索塔2 个混凝土部件， 包括混凝土强度、 钢筋保护层厚度、碳化状况3 个方面。从检测结果可知：（1）混凝土加劲桁架：混凝土强度评定标度5、钢筋保护层厚度评定标度3、碳化状况评定标度2；（2）索塔：混凝土强度评定标度1、钢筋保护层厚度评定标度1、碳化状况评定标度1。 说明混凝土加劲桁架现状情况差、索塔现状良好， 主要是因为混凝土加劲桁架原混凝土设计强度低、 钢筋保护层设计厚度小、 桁架构件细，且两侧桁架受雨水侵蚀严重，质量退化快。

恒载作用下主缆索力及吊索拉力的实际状况与设计值的符合程度是衡量结构内力状态是否符合设计要求和施工水平的一个重要指标。 本次采用振动频率法测量索力，在索力计算时，综合考虑拉索边界条件、垂度、斜度、阻尼器、抗弯刚度等因素对索力振动的影响。 由表4 可知：虽然构成同一根背索的每股索力有所不同，但是每一股振动的各阶基频却能达到基本一致。 使用振动频率法计算短吊索拉力存在一定的难度，因此本次只能测出两端长吊索的拉力，由图6 可知：上、下游两侧吊索的拉力普遍对称，偏差值小于±10%。

表4 本次检测主缆背索索力计算结果

图6 上、下游两侧吊索拉力对比分析

4.3 自振频率测试

桥梁自振频率变化不仅能够反映结构损伤情况，而且还能反映结构整体性能和受力体系的改变。 通过测试桥梁自振频率的变化，可以分析桥梁结构性能，评价桥梁工作状况[2]。 由表5 可知：该桥各阶竖向弯曲振型实测频率值均大于相应阶次理论值，表明该桥当前状态实际刚度大于理论刚度。

表5 自振频率和阻尼比测试结果

5 桥梁技术状况评定

通过对桥梁现状病害检查、材质状况与状态参数检测及无损检测，并按《公路桥梁技术状况评定标准》（JTG/T H21-2011） 进行技术状况等级评定。由表6 可知：该桥总体技术状况等级为3 类，即有中等缺损，尚能维持正常使用功能[1]。

表6 桥梁技术状况评定

6 承载能力检算

6.1 检算模型

对该桥结构静力计算采用迈达斯有限元程序建立空间模型进行分析计算， 计算模型如图7 所示。 本次外观检测结果可知，主缆、吊索及主塔没有出现影响该部件承载能力的病害，故不作检算。 检算主要针对混凝土加劲桁梁受力最不利断面，由模型分析可知最不利断面为1/4L 断面的受拉下弦杆。

图7 桥梁迈达斯有限元计算模型

6.2 检算参数取值

检算参数取值如下： 承载能力检算系数Z1取0.965；承载能力恶化系数ξe取0.057 混凝土结构截面折减系数ξc取0.930； 钢筋的截面折减系数ξs取0.950。

6.3 理论承载能力检算

通过对下弦杆1/4L 断面处理论承载能力进行检算， 可知该桥作用效应与抗力效应的比值为1.10，介于1.0～1.2，故该桥目前状态承载能力很可能不满足汽车-20 级单车道的通行要求，需根据《公路承载能力检测评定规程》（JTC/T J21-2011） 中有关规定通过荷载试验进一步评定其承载能力[2]。

6.4 经过荷载试验的承载能力检算

通过对该桥静载荷载试验结果可知：该桥1/4L断面处应变校验系数位于0.81～0.85 之间、 挠度校验系数位于0.82～0.84 之间。 根据《公路承载能力检测评定规程》（JTC/T J21-2011）中的8.3.2 条规定：应取主要测点应变校验系数或变位校验系数的较大值，确定检算系数Z2，代替Z1按本规程的有关规定进行承载能力检算[2]，即Z2=1.025。 对下弦杆1/4L断面处进行荷载试验的承载能力检算，可知该桥荷载效应与抗力效应比值为1.04，小于1.05，故判定该桥承载能力满足汽-20 级（单车道）等级要求。

7 结论

通过对该桥的现状病害检查、材质状况与状态参数检测、无损检测、技术状况评定及承载能力检算，得到以下结论：（1）该桥总体技术状况等级为3 类，即有中等缺损，尚能维持正常使用功能。（2）该桥目前状态承载能力尚能满足汽车-20 级（单车道）的通行要求。 （3）鉴于本桥承载能力检算中荷载效应与抗力的比值为1.04， 略小于规定的限值1.05，基于安全考虑，建议对该桥按单车道，汽-15 级进行限载通行，严禁超载超限。 （4）由于悬索桥结构受力复杂，管养单位应在今后营运中按照《公路桥涵养护规范》（JTG H11-2004），做好日常养护工作，掌握桥梁使用状况。 为确保桥梁安全运营，建议对桥跨结构各受力控制截面、桥墩等重要部件进行定期监测和养护管理。