更換吊桿后系桿拱橋受力狀況評測

李 燦

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

1 系桿拱橋吊桿損壞分析

1.1 吊桿損壞機(jī)理

在系桿拱橋當(dāng)中吊桿普遍具有較大的安全系數(shù)，一般不會因?yàn)閺?qiáng)度不足而破壞。在國內(nèi)眾多更換吊桿工程當(dāng)中，吊桿破損主要是由疲勞和腐蝕引起，部分是設(shè)計或施工導(dǎo)致成橋索力不合理造成（小于10%）。吊桿鋼絲在設(shè)計荷載作用下不會出現(xiàn)應(yīng)力超標(biāo)問題，在汽車沖擊荷載等反復(fù)荷載作用下，應(yīng)力雖然小于屈服強(qiáng)度，也會發(fā)生疲勞破壞[1]。另外大氣中水分、氧氣以及其他化學(xué)成分的腐蝕也會對吊桿強(qiáng)度及疲勞壽命產(chǎn)生不利影響。疲勞及腐蝕共同作用破壞吊桿的承載能力，反復(fù)的荷載撕裂破壞吊桿周圍防腐層，化學(xué)物質(zhì)的腐蝕降低材料的性能。

1.2 更換吊桿保護(hù)措施

吊桿是系桿拱橋重要的傳力構(gòu)件，在橋梁結(jié)構(gòu)正常使用中起著非常重要的作用[2]，在進(jìn)行吊桿更換時必須保證結(jié)構(gòu)的安全，不能因更換吊桿而損壞橋梁其他部分；吊桿更換應(yīng)使結(jié)構(gòu)內(nèi)力與設(shè)計內(nèi)力相吻合，橋跨結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)明確并處于理想的設(shè)計狀態(tài)；新吊桿和錨具應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，避免出現(xiàn)原有吊桿的病害，保證新構(gòu)件耐久適用，利于檢查維護(hù)和必要的更換。

在吊桿更換前，首先測定各個吊桿的索力作為更換的依據(jù)，還要測量橋面標(biāo)高作為橋梁的初始位置。在測定吊桿索力的時候采用振動頻率法，在裝有壓力環(huán)的橋梁中可以讀取壓力環(huán)數(shù)值，并與弦振儀頻率推算索力相對比。橋面線形測量一般用精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行測量，并進(jìn)行閉合復(fù)測。同時還應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況在結(jié)構(gòu)上布設(shè)測點(diǎn)，以觀察更換過程中結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化。主要的監(jiān)控指標(biāo)有吊桿應(yīng)力變化、拱腳應(yīng)力狀態(tài)、橋面相對標(biāo)高的變化。每一個更換階段測試一次索力，短吊桿可以采用應(yīng)變計測量。

1.3 結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估

完成吊桿更換后進(jìn)行索力測試，與設(shè)計索力進(jìn)行對比；測量橋面線形與設(shè)計成橋狀態(tài)線形對比；加載之后測量主拱應(yīng)力，評估新構(gòu)件對整體剛度的影響；進(jìn)行橋梁整體動力特性的測試，確定橋跨結(jié)構(gòu)基頻以及振型。

2 工程背景

某系桿拱橋全長為 52 m，全寬為 2×（12+3.35）m。設(shè)計荷載為汽車-20，掛車-100，人群荷載3.5 kN/m2。主橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土系桿拱結(jié)構(gòu)，拱軸線為二次拋物線，矢高11.2 m。拱肋采用等截面，拱肋高1.3 m，寬0.8 m。系桿采用矩形斷面，系桿高1.7 m，寬0.9 m。每片拱架設(shè)間距4.2 m的吊桿11根。橫梁高度為1.018～1.547 m，橋面2%橫坡通過橫梁高度變化調(diào)整。鋪裝層采用13 cm防水混凝土。支座采用GPZ5000系列。

圖1 主橋立面布置圖（單位：m）

主橋立面圖如圖1所示。新吊桿采用GJ-15-25鋼絞線，為了測試新吊桿受力狀況以及更換吊桿后橋梁整體剛度變化，現(xiàn)場測試工作主要進(jìn)行了恒載吊桿內(nèi)力測定、靜載下吊桿內(nèi)力測定、動載試驗(yàn)3項內(nèi)容。

3 模型建立分析

采用MADIS 2010進(jìn)行計算，該橋共825個單元。其中吊桿采用桁架單元模擬，系桿為梁單元，橋面板采用板單元。吊桿與拱肋以及系桿采用剛性連接，橋面板單元與系桿梁單元以共節(jié)點(diǎn)的方式進(jìn)行連接。計算模型如圖2所示。

圖2 計算模型

4 靜載受力分析

靜載加載采用標(biāo)重33 T自卸汽車進(jìn)行布載，加載原則為：根據(jù)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)活荷載產(chǎn)生的該加載試驗(yàn)項目對應(yīng)的控制截面內(nèi)力或變位等的最不利效應(yīng)值，按式（1）所確定的原則等效換算而得。

式中：η為靜力試驗(yàn)荷載效率；SS為試驗(yàn)荷載作用下，某一加載試驗(yàn)項目對應(yīng)的控制截面內(nèi)力或變位等的最大計算效應(yīng)值；S為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)活載不計沖擊荷載作用時產(chǎn)生的該加載試驗(yàn)項目對應(yīng)的控制截面內(nèi)力或變位等的最不利計算效應(yīng)值；1+μ為設(shè)計計算取用的沖擊系數(shù)[3]。

4.1 橋面線形分析

橋面線形測量采用精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行，在相應(yīng)測點(diǎn)打入鋼釘，將所測數(shù)據(jù)整理分析后得出橋面的縱向線形。橋面線形測量結(jié)果如表1所示。

表1 橋面線形測量結(jié)果分析表 mm

圖3 橋梁縱斷面線形圖

由表1及圖3可以看出，東側(cè)橋面跨中3點(diǎn)標(biāo)高略高于西側(cè)。大橋加固后橋面沒有突變點(diǎn)，豎曲線較平順，橋面縱向線形較好。

4.2 恒載下吊桿內(nèi)力

恒載作用下的吊桿內(nèi)力是反映系桿拱橋恒載內(nèi)力狀態(tài)的一個重要參數(shù)，試驗(yàn)對全橋吊桿內(nèi)力進(jìn)行了現(xiàn)場測定。吊桿分為東側(cè)和西側(cè)吊桿，其編號從南向北依次為E-1～E-11號、W-1～W-11號。吊桿內(nèi)力采用壓力環(huán)測量并與索力儀校核，其中E-11號與W-5號吊索下的壓力環(huán)測量數(shù)據(jù)異常，經(jīng)多次測定后數(shù)值方差較大故不作參考依據(jù)。

圖4 吊桿內(nèi)力

設(shè)計成橋吊桿內(nèi)力為680 kN，由測試結(jié)果表明，大部分吊桿恒載內(nèi)力的實(shí)測結(jié)果與設(shè)計值吻合較好。實(shí)測吊桿內(nèi)力值與設(shè)計值的相對誤差絕對值在5%以內(nèi)，表明新吊桿的受力均勻，狀態(tài)良好。

4.3 靜載下吊桿內(nèi)力

本次靜載試驗(yàn)是通過在橋梁上施加與設(shè)計荷載下基本相同吊桿內(nèi)力的外載，利用壓力環(huán)以及索力儀測試吊桿內(nèi)力，了解吊桿內(nèi)力是否在正常范圍內(nèi)。

表2 吊桿內(nèi)力

由表2數(shù)據(jù)可見，控制截面各吊桿校驗(yàn)系數(shù)除極個別測點(diǎn)稍大外，絕大部分測點(diǎn)實(shí)測內(nèi)力均小于相應(yīng)的理論計算值，吊桿內(nèi)力校驗(yàn)系數(shù)在0.61～0.92之間，均小于1，這表明吊桿的實(shí)際承載力能滿足設(shè)計荷載使用要求，且有一定的安全儲備。

5 橋梁振動特性

該橋在 W-2號、W-4號、W-6號、W-8號、W-10號；E-2號、E-4號、E-6號、E-8號、E-10號吊桿橫截面位置，共設(shè)置5個豎向模態(tài)測試點(diǎn)，測試結(jié)果如表3所示。

表3 自振頻率與振型特征

實(shí)測頻率結(jié)果與理論計算頻率比較見表3。從表中可以看出：一階豎向振動實(shí)測值大于理論值，二階豎向振動實(shí)測值略小于理論值，表明吊桿更換后結(jié)構(gòu)整體剛度達(dá)到原結(jié)構(gòu)整體剛度，由于動力特性測試頻率存在一定誤差，故由橋梁固有頻率推定剛度作為參考。

6 結(jié)論

此橋更換吊桿后恒載下吊桿內(nèi)力以及在與設(shè)計荷載相同效應(yīng)下的吊桿內(nèi)力基本相同，且內(nèi)力分布均勻。橋梁結(jié)構(gòu)豎向一階振動頻率大于理論值，橋梁二階豎向頻率小于理論計算值，說明更換后吊桿后橋梁一階振動剛度增加，二階振動剛度變小。因此更換吊桿后的橋梁不僅僅要求吊桿內(nèi)力符合設(shè)計值，更應(yīng)該進(jìn)一步分析全橋整體剛度變化情況，做動力特性分析。