鋼管混凝土系桿拱橋的結(jié)構(gòu)檢測(cè)與評(píng)估

金國(guó)俊，高 振

（鎮(zhèn)江市市政設(shè)施管理處，江蘇 鎮(zhèn)江市 212003）

0 前言

鋼管混凝土拱橋是我國(guó)近年來橋梁建筑發(fā)展的新技術(shù)，具有外形美觀、自重輕、跨度大、抗變形能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但國(guó)內(nèi)目前對(duì)鋼管混凝土拱橋尚未出臺(tái)完整的設(shè)計(jì)規(guī)范，更無成熟的使用與養(yǎng)護(hù)經(jīng)驗(yàn)可供借鑒。因此，針對(duì)鋼管混凝土拱橋開展結(jié)構(gòu)檢測(cè)與評(píng)估的研究，對(duì)其設(shè)計(jì)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)發(fā)展無疑具有積極的作用。

本文針對(duì)一座下承式鋼管混凝土雙提籃系桿拱橋開展結(jié)構(gòu)檢測(cè)與評(píng)估，對(duì)該橋?qū)嵤┝税ㄍ庥^觀測(cè)，混凝土強(qiáng)度檢測(cè)和斜吊桿索內(nèi)力，鋼筋銹蝕程度，保護(hù)層厚度等結(jié)構(gòu)檢測(cè)。為了更準(zhǔn)確地判明結(jié)構(gòu)安全性及承載能力，又實(shí)施了動(dòng)、靜載試驗(yàn)，并對(duì)其進(jìn)行有限元建模與分析。最終通過綜合檢測(cè)、試驗(yàn)與分析結(jié)果，判明了其安全技術(shù)狀況，為該橋的日常養(yǎng)護(hù)維修提供了科學(xué)依據(jù)。

1 橋梁概況

本文研究的橋梁建于2002年，為國(guó)內(nèi)首座采用雙提籃型式的下承式鋼管混凝土系桿拱橋（見圖1），單跨過河，全橋總長(zhǎng)81 m，主拱計(jì)算跨徑70 m，橋面全寬在橋臺(tái)處為40m，跨中加寬到52m，人行道外側(cè)呈圓弧狀。橋梁縱向由直拱、系桿并綴以直吊桿構(gòu)成主要縱向受力體系。由直接支承于承臺(tái)的斜拱及斜吊桿構(gòu)成輔助縱向受力體系。橫向通過風(fēng)撐將直拱肋與斜拱肋連成整體，并最終通過橫梁將橋面連成整體，形成一個(gè)空間協(xié)同受力體系。擱置在橫梁上的行車道板及現(xiàn)澆層等構(gòu)成橋面行車系，擱置在橫梁上的人行道梁、板等構(gòu)成人行道系。

2 橋梁檢測(cè)

2.1 橋梁外觀檢測(cè)

橋梁外觀檢測(cè)分為總體外觀檢測(cè)和細(xì)部構(gòu)件外觀檢測(cè)。經(jīng)檢測(cè)，橋面線型與設(shè)計(jì)基本吻合，直拱肋與斜拱肋部分區(qū)域滲水，油漆剝落與局部銹蝕明顯，并有進(jìn)一步發(fā)展趨勢(shì)；斜吊桿PE護(hù)套局部斷裂，上下錨固端漏油，個(gè)別錨頭漏油嚴(yán)重；橫梁及系桿局部滲水并伴有白色結(jié)晶物，出現(xiàn)水蝕現(xiàn)象，部分區(qū)域預(yù)應(yīng)力波紋管及鋼筋外露銹蝕；橋梁支座鋼構(gòu)件銹蝕嚴(yán)重，伸縫裝置被雜物堵塞，個(gè)別泄水管堵塞、銹蝕。

2.2 混凝土強(qiáng)度檢測(cè)

混凝土強(qiáng)度以超聲回彈綜合法為主，按同批構(gòu)件進(jìn)行混凝土強(qiáng)度檢測(cè)。由于混凝土結(jié)構(gòu)不可避免地存在碳化現(xiàn)象，對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有一定的影響，碳化程度檢測(cè)結(jié)合超聲回彈法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度時(shí)實(shí)施。經(jīng)檢測(cè)，混凝土碳化平均深度為：橫梁為0.93 mm，系桿為0.83mm，縱梁為0.86mm。

由于在碳化均值修正后混凝土強(qiáng)度不小于60 MPa，故此次采用超聲回彈綜合法推定橫梁混凝土強(qiáng)度值為56MPa，系桿混凝土強(qiáng)度為55.8 MPa，縱梁混凝土強(qiáng)度為49 MPa，實(shí)測(cè)強(qiáng)度值均大于設(shè)計(jì)值，即混凝土強(qiáng)度滿足原設(shè)計(jì)要求。

2.3 鋼筋保護(hù)層厚度檢測(cè)

鋼筋保護(hù)層厚度檢測(cè)是采用鋼筋探測(cè)儀檢驗(yàn)第一層鋼筋排列位置及鋼筋保護(hù)層厚度是否符合規(guī)定。經(jīng)檢測(cè)，橫梁橫橋向（內(nèi)層）鋼筋凈保護(hù)層厚度均大于設(shè)計(jì)值（35 mm），而豎向（外層）鋼筋凈保護(hù)層除一處（25.1 mm）符合原設(shè)計(jì)值，其余均偏薄，小于設(shè)計(jì)值。系桿順橋向與豎向鋼筋凈保護(hù)層厚度均大于設(shè)計(jì)值。

2.4 鋼筋銹蝕程度檢測(cè)

鋼筋的銹蝕嚴(yán)重影響著結(jié)構(gòu)承載能力，并加速結(jié)構(gòu)的損壞。本次采用電化學(xué)反應(yīng)半電池電勢(shì)原理對(duì)鋼筋銹蝕進(jìn)行定性測(cè)量。經(jīng)檢測(cè)，全橋共計(jì)56個(gè)測(cè)點(diǎn)，除2個(gè)測(cè)點(diǎn)電位置小于-200 mV外，其余測(cè)點(diǎn)電位值均大于-200 mV，表明測(cè)區(qū)內(nèi)鋼筋主要處于無銹蝕活動(dòng)性或銹蝕活動(dòng)性不確定狀態(tài)，個(gè)別區(qū)域內(nèi)局部鋼筋有銹蝕活動(dòng)性，但銹蝕狀態(tài)不確定，可能出現(xiàn)坑蝕。

2.5 斜吊桿內(nèi)力

采用頻譜法測(cè)量了全橋南北兩側(cè)共計(jì)30根斜吊桿的內(nèi)力值。測(cè)試結(jié)果顯示，南北側(cè)實(shí)測(cè)索力在最終張拉力上下浮動(dòng)（北側(cè)最終張拉力：360 kN，南側(cè)最終張拉力：380 kN），除去兩端短索由于測(cè)試誤差等因素不予采用外，北側(cè)索力差值變化范圍為-26～47 kN，南側(cè)索力差值變化范圍為-26～16 kN，與最終張拉力基本吻合。索力具體實(shí)測(cè)分布情況見圖2。

圖1 鋼管混凝土系桿拱橋整體圖

圖2 索力實(shí)測(cè)分布圖

3 動(dòng)、靜載試驗(yàn)

3.1 靜載試驗(yàn)

采用30 t加載車(見圖3)進(jìn)行等效加載，試驗(yàn)荷載均逐級(jí)遞加，達(dá)到最大荷載后一次卸載。分別采用振弦應(yīng)變計(jì)和光纖應(yīng)變計(jì)測(cè)量應(yīng)變，采用精密水準(zhǔn)儀測(cè)量橋面的豎向變形，采用光電撓度儀測(cè)量系桿及橫梁下緣變形，采用全站儀測(cè)量拱肋變形。

圖3 加載車輛

靜載試驗(yàn)各工況下所需加載車輛的數(shù)量及重量，根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)活荷載產(chǎn)生的某工況下的最不利效應(yīng)值按以下公式所定原則等效換算而得：

式中：η——靜力試驗(yàn)荷載效率；

Sstatic——試驗(yàn)荷載作用下，某工況最大計(jì)算效應(yīng)值；

Sdesign——設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)活荷載不計(jì)沖擊作用時(shí)產(chǎn)生的某試驗(yàn)工況的最不利計(jì)算效應(yīng)；

(1+μ)——設(shè)計(jì)計(jì)算取用的沖擊系數(shù)。

該橋跨的試驗(yàn)加載控制工況與控制截面關(guān)系如下：

（1）截面A，系桿梁跨中截面的最大正彎矩和變形工況，對(duì)稱與偏載。

（2）截面B，系桿梁1/4跨截面的最大正彎矩和變形工況，對(duì)稱與偏載。

（3）截面B，系桿梁1/4跨截面的最大負(fù)彎矩工況，對(duì)稱與偏載。

（4）截面C，直拱肋拱頂截面最大變形工況，對(duì)稱與偏載。

（5）截面D，直拱肋1/4跨截面的最大變形工況，對(duì)稱與偏載。

（6）截面E，橫梁1/2跨截面的最大正彎矩工況，對(duì)稱與偏載。

圖4為靜載試驗(yàn)控制截面。

3.2 動(dòng)載試驗(yàn)

動(dòng)載試驗(yàn)主要是檢測(cè)橋梁自身的動(dòng)力特性和抵抗受迫振動(dòng)和突發(fā)荷載的能力，分別采用脈動(dòng)法測(cè)試橋梁結(jié)構(gòu)的固有模態(tài)，采用強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)檢測(cè)橋跨結(jié)構(gòu)在車輛荷載下的抵抗受迫振動(dòng)特性。其中梁體混凝土動(dòng)撓度采用光電撓度進(jìn)行測(cè)定，強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)采用兩輛試驗(yàn)載重車（30 t）進(jìn)行跑車。共布置12個(gè)測(cè)點(diǎn)（每側(cè)6個(gè)），分別位于各跨的1/4、1/2、3/4位置處的橋面與直拱肋。脈動(dòng)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置如圖5。

4 有限元建模與分析

該橋有限元計(jì)算模型是通過橋梁專業(yè)軟件Midas建立的，拱橋采用桿系結(jié)構(gòu)計(jì)算力學(xué)模型進(jìn)行建模計(jì)算分析，對(duì)于混凝土主梁、橫梁和鋼管斜拱肋直接采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，對(duì)于吊桿采用只受拉的索單元進(jìn)行模擬。對(duì)于鋼管混凝土直拱肋先采用等效截面的方法計(jì)算出等效混凝土截面大小，然后采用梁?jiǎn)卧M鋼管混凝土直拱肋。全橋共計(jì)446個(gè)節(jié)點(diǎn)、795個(gè)單元，結(jié)構(gòu)的有限元模型見圖6。

圖4 靜載試驗(yàn)控制截面

圖5 脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)立面、平面布置圖（單位：m）

圖6 橋梁有限元計(jì)算模型

5 試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

在試驗(yàn)各工況對(duì)應(yīng)的動(dòng)、靜載作用下，通過有限元模型計(jì)算結(jié)構(gòu)各控制截面的應(yīng)變、撓度及固有模態(tài)頻率，再與實(shí)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而對(duì)該橋的實(shí)際承載能力、橋梁結(jié)構(gòu)的行車性能進(jìn)行檢定和安全評(píng)估。

實(shí)測(cè)該橋靜載試驗(yàn)的應(yīng)變和變形校驗(yàn)系數(shù)均滿足預(yù)應(yīng)力混凝土橋應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)0.50～0.90，撓度校驗(yàn)系數(shù)0.60～1.00的限值要求。實(shí)測(cè)最大殘余變形率為3.7%，滿足試驗(yàn)規(guī)程20%的限值要求，說明橋梁的承載能力滿足要求。靜載試驗(yàn)校驗(yàn)系數(shù)及殘余變形見表1、表2。

表1 靜載試驗(yàn)校驗(yàn)系數(shù)

表2 靜載試驗(yàn)殘余變形

通過分析試驗(yàn)脈動(dòng)數(shù)據(jù)，得到各模態(tài)的實(shí)測(cè)頻率均比相同模態(tài)振型對(duì)應(yīng)的計(jì)算頻率大，說明結(jié)構(gòu)整體剛度較好。通過測(cè)試各種強(qiáng)迫振動(dòng)情況下的動(dòng)撓度及對(duì)應(yīng)的最大靜載撓度，換算橋跨的沖擊系數(shù)處于正常范圍，實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)最大值為0.046（按規(guī)范計(jì)算為0.099），說明試驗(yàn)橋跨的設(shè)計(jì)沖擊系數(shù)滿足規(guī)定，實(shí)測(cè)固有模態(tài)基頻、計(jì)算值和動(dòng)載試驗(yàn)沖擊系數(shù)見表3、表4。

表3 動(dòng)載試驗(yàn)固有模態(tài)頻率

表4 動(dòng)載試驗(yàn)沖擊系數(shù)

6 結(jié)語(yǔ)

該橋型造型新穎獨(dú)特，結(jié)構(gòu)特殊，通過本次對(duì)橋梁進(jìn)行的常規(guī)檢測(cè)、動(dòng)靜載試驗(yàn)及有限元分析，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)從適用性方面、耐久性方面和安全性進(jìn)行了評(píng)定。從荷載試驗(yàn)結(jié)果看，該橋的各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)符合試驗(yàn)規(guī)程要求，即當(dāng)前滿足于設(shè)計(jì)荷載等級(jí)，但由于該橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，吊桿及拱肋存在的安全隱患直接影響全橋的安全性，應(yīng)立即組織維修。