大跨度三塔斜拉橋恒載索力及體外預(yù)應(yīng)力測試分析

劉文軍 孫尚鵬

摘要：為了準(zhǔn)確掌握某斜拉橋在運(yùn)營期間的結(jié)構(gòu)技術(shù)狀態(tài)，對其恒載索力及體外預(yù)應(yīng)力進(jìn)行測試分析。索力測試是索承重橋梁從施工到正常使用階段經(jīng)常要做的一項(xiàng)重要工作，索力測試的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到橋梁受力分析的準(zhǔn)確性。文章采用頻譜分析法對該橋的恒載索力及體外預(yù)應(yīng)力進(jìn)行測試分析，結(jié)果表明：該橋的技術(shù)狀況良好能保證該橋的正常運(yùn)營。

Abstract： In order to accurately grasp the structural and technical state of a cable-stayed bridge during operation， its load-bearing cable force and external prestress are tested and analyzed. The cable force test is an important task that the cable-bearing bridge often needs to do from the construction to the normal use stage. The accuracy of the cable force test is directly related to the accuracy of the bridge force analysis. In this paper， the spectrum analysis method is used to test and analyze the load-bearing cable force and external prestress of the bridge. The results show that the technical condition of the bridge can ensure the normal operation of the bridge.

關(guān)鍵詞：大跨度斜拉橋;索力測試;頻譜分析法

Key words： long-span cable-stayed bridge;cable force test;spectrum analysis

中圖分類號：U443.38 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）07-0136-03

0 ?引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速增長和國家對基礎(chǔ)建設(shè)投資的加大，我國的公路運(yùn)輸能力取得了長遠(yuǎn)的進(jìn)步。其中大跨度斜拉橋在交通運(yùn)輸中發(fā)揮重要的作用，但是有些橋梁由于服役年限較長，致使無法滿足日益增長的交通量的需求，導(dǎo)致近年來橋梁垮塌事故頻繁發(fā)生，對國家和人民造成了巨大的損失。因此能夠準(zhǔn)確掌握橋梁在運(yùn)營期間的結(jié)構(gòu)技術(shù)狀態(tài)顯得格外重要。

目前，許多學(xué)者對斜拉橋承載力檢測與狀態(tài)評估展開了深入的研究。文獻(xiàn)[2]以蘇通大橋斜拉橋?yàn)楸尘埃Y(jié)合國內(nèi)外鋼斜拉橋運(yùn)營階段技術(shù)狀況資料，指出大跨度鋼斜拉橋結(jié)構(gòu)耐久性監(jiān)測的主要內(nèi)容。文獻(xiàn)[3-6]構(gòu)建了預(yù)應(yīng)力斜拉橋模型，對斜拉橋的收縮徐變、彈性模量和索塔索力等因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，同時分析了斜拉橋索、筋比值等因素對拉索應(yīng)力幅值的影響。文獻(xiàn)[7-8]利用包絡(luò)控制理念，綜合考慮荷載因素，進(jìn)行有限元計(jì)算分析，構(gòu)建了健康監(jiān)測評估體系，提出評估方法及決策工作。文獻(xiàn)[9]分析了斜拉橋索力與溫度的相關(guān)關(guān)系。由此可見隨著對斜拉橋認(rèn)識的逐漸成熟，斜拉橋承載力檢測與狀態(tài)評估的方法呈現(xiàn)出多樣化的發(fā)展趨勢。

上述研究為類似大跨度斜拉橋的檢測和狀態(tài)評定奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，但是三塔斜拉橋結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，準(zhǔn)確掌握其在運(yùn)營期間的結(jié)構(gòu)技術(shù)狀態(tài)，需對其恒載索力及體外預(yù)應(yīng)力進(jìn)行測試分析。本文對某大跨度三塔斜拉橋恒載索力及體外預(yù)應(yīng)力進(jìn)行了測試分析，為今后類似工程的測試分析提供了參考。

1 ?工程概況

某橋主橋全長936m，為三塔倒Y型單索面混凝土加勁梁斜拉橋，橋?qū)?3m。主橋主梁采用單箱三室預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，梁高3.0m;主塔塔柱、上橫梁及塔座為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，下橫梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu);全橋共236根斜拉索，236套固定端錨具，236套張拉端錨具，斜拉索固定端設(shè)在主梁處，張拉端設(shè)在主塔處，整個橋梁的空間布置如圖1所示，橋梁的編號示意圖如圖2所示。

2 ?檢測內(nèi)容與結(jié)果

2.1 檢測內(nèi)容

①斜拉索恒載索力測試;②體外預(yù)應(yīng)力測試。

2.2 檢測手段

索力測試采用頻譜分析法，利用索力計(jì)測試?yán)鞯墓逃蓄l率，將測得的斜拉索的固有頻率經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，根據(jù)頻率和索的有效計(jì)算長度、單位索長、質(zhì)量以及索端的邊界條件計(jì)算得到拉索的張力。

頻譜分析法測索力的基本原理為：利用緊固在拉索上的高靈敏度傳感器，拾取拉索在環(huán)境振動激勵下的振動信號，經(jīng)過濾波、放大、譜分析，得出纜索的至少五階自振頻率值，按每一階自振頻率計(jì)算索力，取其均值作為最終索力。公式為：

式中：Tn為對應(yīng)第n階自振頻率計(jì)算的索力;fn為索的第n階頻率;L為索的計(jì)算長度;N為索的振動階數(shù);W為單位索長的重量;g為重力加速度;EI為索的抗彎剛度。對于柔性索，索的抗彎剛度可以忽略，EI=0。

2.3 檢測結(jié)果分析

2.3.1 斜拉索恒載索力測試

該橋全橋斜拉索共計(jì)有236根，均為鋼絞線索，拉索外套PE套管，是大橋橋面的主要支撐結(jié)構(gòu)。

本橋斜拉索系統(tǒng)包括四個小部件，斜拉索、錨具、拉索護(hù)套、減震裝置。斜拉索編號參照圖1，各索面拉索編號從3號或5號塔向跨中方向依次為SC1～SC18，從3號或5號索塔向輔助墩方向依次為SC′1～SC′18，從4號索塔向5號塔跨中方向依次為MC1～SMC23，“U”、“D”分別表示上游側(cè)和下游側(cè)，如3SC1U表示3號索塔近跨中上游側(cè)1號拉索，SMC1U表示4號索塔近5號塔跨中上游側(cè)1號拉索。

各斜拉索索的索力大小是否正常、受力是否均勻、有無異常變化，是判定斜拉索索力狀況的主要依據(jù)。斜拉索恒載索力測定見圖3、圖4、圖5、圖6、圖7、圖8。

由上圖可知：無論是本次測量結(jié)果還是竣工測量結(jié)果均表明：3號索塔、4號塔索及5號塔索上游索力與下游索力均相近，未出現(xiàn)異常情況。本次測量索力值與竣工索力值相比，索力差值浮動在-15.62～14.25%，雖有一定的浮動但總體在合理范圍之內(nèi)。

對比分析圖3與圖7、圖4與圖8、圖5與圖6可知：該橋3號索塔邊跨索力與5號索塔邊跨索力、3號索塔中跨索力與5號索塔中跨索力及4號索塔北側(cè)索力與4號索塔南側(cè)索力具有很好的對稱性，且未出現(xiàn)不均衡現(xiàn)象。

由圖5、圖6分析可知：斜拉橋的索力隨索長的增加呈線性增加，且索力的變化值也隨索長的增加呈線性增加的關(guān)系。

由圖3、圖7分析可知：雖然斜拉橋的索力隨索長的增加呈線性增加，但在索長較短是變化程度較小。

綜上所述：本次斜拉索恒載索力測試中，該橋無論是3號塔索、4號塔索還是5號塔索上下游索力變化都很小，受力均勻。此外該橋邊跨與邊跨、中跨與中跨、南側(cè)與北側(cè)索力都比較對稱，未出現(xiàn)索力不均衡現(xiàn)象。本次測量索力值與竣工索力值相比，索力差值浮動在-15.62～14.25%，雖有一定的浮動但總體在合理范圍之內(nèi)。因此說明該橋的索力狀況較好，能夠滿足安全運(yùn)營的要求。

2.3.2 體外預(yù)應(yīng)力測試

該橋采用單箱三室預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，縱向預(yù)應(yīng)力采用體內(nèi)體外相結(jié)合的方式布置。橫向布置為10根，沿橫截面中心線對稱布置，全橋共20根。預(yù)應(yīng)力索束的編號規(guī)則為：N表示北側(cè)、S表示南側(cè)、U表示上游、D表示下游，自上游往下游方向依次是預(yù)應(yīng)力束編號依次為1至5。體外預(yù)應(yīng)力束索力測試結(jié)果見圖9所示。

由圖9可知：該橋北側(cè)預(yù)應(yīng)力束索力與理論值相比變化較均勻，而南側(cè)預(yù)應(yīng)力束索力與理論值相比則出現(xiàn)了一定的波動。盡管南側(cè)預(yù)應(yīng)力束索力與理論值相比則出現(xiàn)了一定的波動，但是本次該橋20根體外預(yù)應(yīng)力索實(shí)測索力與理論索力相比，變化率介于-2.5～6.7%之間，仍在合理范圍內(nèi)，說明該橋體外預(yù)應(yīng)力索的索力狀況較好，能滿足安全運(yùn)營的要求。

3 ?結(jié)語

①通過對該橋斜拉索恒載索力測試分析，表明該橋的索力狀況較好能滿足安全運(yùn)營的要求。

②通過對該橋體外預(yù)應(yīng)力束索力測試分析，表明該橋體外預(yù)應(yīng)力索的索力狀況較好，能滿足安全運(yùn)營的要求。

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