運營狀態(tài)下特大懸索橋無損檢測及承載能力評估

王宇新

(中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司 武漢 430052)

橋梁結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境和長、短期荷載(結(jié)構(gòu)自重、汽車荷載、風(fēng)荷載等)作用下，結(jié)構(gòu)材料的強度、剛度等不可避免地會受到不利影響，使得橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、適用性及耐久性降低，最終影響橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力。曾德禮[1]通過動靜載試驗的方法對鸚鵡洲長江大橋的承載能力進行了分析。何加江[2]計算了某懸索橋的受力情況，楊光哲等[3]對楊泗港大橋的承載能力進行了計算。本文以某雙鉸鋼桁梁懸索橋為例，通過橋梁無損檢測手段，現(xiàn)場確定結(jié)構(gòu)損傷和運營狀態(tài)[4]，結(jié)合有限元分析程序?qū)ζ溥M行承載能力評估，為以后養(yǎng)護、維修和技術(shù)改造提供必要的科學(xué)依據(jù)。

1 橋梁概況

某雙鉸鋼桁梁懸索橋橋跨組合為900 m+5×40 m，橋長1 108 m，設(shè)計荷載為汽車-超20級、掛車-120級，設(shè)單向2.41%縱坡，全橋是整體式斷面，雙向四車道，橋面凈寬24.5 m，設(shè)雙向2%的橫坡。

主橋為900 m雙鉸鋼桁梁懸索橋，主纜矢跨比1∶10，加勁鋼桁梁高6.5 m，主桁吊索橫向間距26 m，縱向間距12.8 m，塔墩為門形混凝土塔，基礎(chǔ)為直徑2.8 m樁基礎(chǔ)。東岸設(shè)計采用隧道錨，西岸采用重力式錨碇。

鋼桁架桿件及橋面系縱、橫梁均采用Q345D低合金結(jié)構(gòu)鋼。鋼桁架桿件間連接采用現(xiàn)場高強螺栓連接，高強螺栓性能等級10.9S級，材質(zhì)為20MnTiB。主纜采用預(yù)制平行鋼絲索股(PPWS)。平行鋼絲索股每股含127Φ5.1鍍鋅高強鋼絲。

橋面系采用縱向工字梁與混凝土橋面板的結(jié)合形式?？v梁橫向間距1.95 m，梁高0.66 m，簡支在主桁橫梁上弦桿上，縱梁僅在兩端設(shè)置橫隔梁。

橋型布置及橫斷面圖見圖1、圖2。

圖1 橋型布置示意圖(單位：cm)

圖2 索塔及加勁梁橫斷面圖(單位：cm)

2 橋梁無損檢查

2.1 外觀檢查

經(jīng)現(xiàn)場檢查，主橋存在以下病害。

加勁梁6個螺栓缺失，部分節(jié)點螺栓銹蝕；1號、2號索塔表面出現(xiàn)少量豎向裂縫及網(wǎng)狀裂縫；少量支座存在偏位、脫空或剪切現(xiàn)象；主鞍部分螺栓銹蝕、松動；主纜螺栓輕微銹蝕、主纜表面涂層脫落；部分吊索下錨頭頂部螺栓及墊板輕微銹蝕、吊索連桿起皮脫落、螺栓輕微銹蝕；重力式錨及隧道式錨頭上承板與下鋼盆存在間隙、部分錨頭螺栓傾斜。錨錠出現(xiàn)少量橫向及斜向裂縫；宜昌側(cè)左索塔處橋面出現(xiàn)1條橫向裂縫；左幅減速帶出現(xiàn)磨損現(xiàn)象；右幅60號吊索處橋面鋪裝出現(xiàn)橫向裂縫。L27號吊索處伸縮縫錨固混凝土破損，止水帶局部破損；L50號吊索伸縮縫止水帶局部脫落；恩施側(cè)左索塔伸縮縫止水帶破損；恩施側(cè)右索塔伸縮縫止水帶破損。

橋梁總體技術(shù)狀況評定得分為88.0，被評為2類橋梁。

2.2 墩塔混凝土無損檢測

在橋梁墩塔結(jié)構(gòu)選擇了32個區(qū)域，每個區(qū)域均進行了混凝土碳化、強度、鋼筋保護層厚度、鋼筋電位銹蝕檢測，另對混凝土裂縫深度進行了專項檢測。檢測結(jié)果表明[5]：

1) 墩塔混凝土有輕微碳化現(xiàn)象，所有碳化深度均小于混凝土保護層厚度50%，對結(jié)構(gòu)耐久性的影響較輕微，評定標度值為1。

2) 實測混凝土強度均大于設(shè)計強度50 MPa，混凝土強度評定標度為1，處于良好狀態(tài)。

3) 在墩塔鋼筋保護層厚度的32個檢測面中，15個檢測面鋼筋保護層最大評定標度為2，保護層厚度對結(jié)構(gòu)鋼筋耐久性有輕度影響；其余檢測部位鋼筋保護層評定標度為1，保護層厚度對結(jié)構(gòu)鋼筋耐久性影響不顯著。

4) 墩塔鋼筋銹蝕電位測區(qū)的電位水平均在0～-200 mV之間，評定標度為1，無明顯銹蝕狀況或銹蝕活動不確定。

5) 墩塔混凝土裂縫均為非結(jié)構(gòu)受力裂縫，表面裂縫最大深度3 cm。

2.3 吊索索力

該橋吊索實測索力值與參考值相比偏差均在10%以內(nèi)，索力值分布較均勻，無明顯異常。

2.4 橋梁振動特性檢測

橋梁自振頻率變化不僅能夠反映結(jié)構(gòu)損傷情況，而且還能反映結(jié)構(gòu)整體性能和受力體系的改變。通過測試橋梁自振頻率的變化，可以分析橋梁結(jié)構(gòu)性能，評價橋梁工作狀況。

該懸索橋?qū)崪y頻率與理論頻率對比結(jié)果見表1。

表1 實測頻率與理論頻率對比

由表1可知，實測各階頻率與相應(yīng)理論頻率比值在1.22～1.34之間，評定標度值為1，說明該橋整體結(jié)構(gòu)的動剛度處于良好狀態(tài)。

3 分項檢算系數(shù)確定

3.1 塔墩承載能力檢算系數(shù)

結(jié)合缺損狀況、材質(zhì)強度、自振頻率，塔墩承載能力檢算系數(shù)評定標度D=1.8，承載能力檢算系數(shù)Z1=1.11。

3.2 塔墩承載能力惡化系數(shù)

結(jié)合缺損狀況、鋼筋銹蝕電位、混凝土碳化深度、鋼筋保護層厚度、混凝土強度等，塔墩承載能力惡化系數(shù)評定標度E=1.76，承載能力惡化系數(shù)ξe=0.065 2。

3.3 墩塔截面折減系數(shù)

結(jié)合材料風(fēng)化、碳化、物理與化學(xué)損傷，墩塔截面損傷的綜合評定標度R=2.00，構(gòu)件截面折減系數(shù)ξc=0.98。

3.4 塔墩鋼筋截面折減系數(shù)

結(jié)合塔墩鋼筋存在的損傷，鋼筋截面折減系數(shù)ξs=1.00。

3.5 鋼結(jié)構(gòu)承載能力檢算系數(shù)

結(jié)合鋼構(gòu)件外觀檢查結(jié)果，鋼結(jié)構(gòu)承載能力檢算系數(shù)Z1=0.92。

3.6 吊索承載能力檢算系數(shù)

結(jié)合吊索外觀檢查結(jié)果，吊索承載能力檢算系數(shù)Z1=0.96。

3.7 活載影響修正系數(shù)的確定

調(diào)查該橋梁的典型代表交通量、大噸位車輛混入率、軸荷分布后，活載影響修正系數(shù)取1.0。

4 理論模型分析

4.1 有限元模型

依據(jù)midas Civil，結(jié)合實橋布置建立有限元模型，采用梁單元模擬鋼桁梁、主纜、吊桿、主墩及索塔，邊界條件為主纜在兩端通過錨碇固定，做固端處理，鋼桁梁與索塔設(shè)置抗風(fēng)支座，約束其橫向位移，縱橋向位移自由，主塔基礎(chǔ)為擴大基礎(chǔ)，基礎(chǔ)支承在基巖上，塔身底部做固結(jié)處理[6]。全橋共計2 409個節(jié)點，5 648個梁單元，8個桁架單元，混凝土自重取26 kN/m3，瀝青混凝土自重取24 kN/m3?？臻g有限元模型見圖3。

圖3 主橋空間有限元模型

4.2 荷載及荷載組合

橋梁上的荷載分為永久荷載、可變荷載，永久荷載為結(jié)構(gòu)重力、混凝土收縮徐變及影響力，可變荷載為汽車、風(fēng)力、溫度影響力。

二期荷載(橋面鋪裝)換算成均布荷載加載到梁單元上，車輛荷載為設(shè)計荷載，即汽超-20級，掛車-120，鋼結(jié)構(gòu)體系升溫30 ℃,體系降溫30 ℃，混凝土結(jié)構(gòu)體系升溫25 ℃,體系降溫25 ℃，主塔順橋向溫差±5 ℃，鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)溫差±10 ℃，按橋面風(fēng)速28 m/s進行順橋向、橫橋向陣風(fēng)荷載計算。支座不均勻沉降為索塔取0.5 cm、制動力按六車道同方向計算，每一個車道的制動力為1行汽車車隊總重力的10%。制動力作用在橋面以上1.2 m處。

塔墩的分析主要考慮以下組合(組合方式為不利組合)。

組合1：恒載+汽車。

組合2：恒載+汽車+風(fēng)荷載+溫度影響力+制動力。

主梁整體運營階段的分析主要考慮以下組合(組合方式為不利組合)。

組合I：恒載+汽車。

組合II：恒載+汽車+橋面28 m/s風(fēng)荷載+溫度影響力+制動力。

5 承載能力評估

5.1 塔墩承載能力評估

1) 結(jié)構(gòu)強度檢算。該塔墩塔柱及橫梁為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，受力形式為偏心受壓構(gòu)件，在基本組合下塔墩縱向最大軸壓力為43 883 kN，對應(yīng)的彎矩為426 001 kN·m。

考慮損傷后塔墩底部矩形截面偏心受壓的正截面設(shè)計軸力為655 797 kN，設(shè)計彎矩為2 718 821 kN·m，基于偏心距及結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，正截面軸力效應(yīng)值為468 601 kN，彎矩效應(yīng)值為1 923 483 kN·m，損傷后的正截面設(shè)計值均大于正截面效應(yīng)值，說明考慮結(jié)構(gòu)損傷后塔墩正截面強度仍滿足規(guī)范要求。

2) 塔墩變形檢算。根據(jù)原設(shè)計規(guī)范，在汽車荷載(不計沖擊力)作用下塔墩變形限值fL=Z1L(已考慮承載能力檢算系數(shù))。

依據(jù)計算模型，塔墩在汽車荷載作用下的最大變形為75 mm<437 mm(橋塔高度為118.2 m)，故塔墩變形仍滿足規(guī)范要求。

3) 裂縫寬度驗算。根據(jù)原設(shè)計規(guī)范，在正常使用極限狀態(tài)下，塔墩裂縫為0.136 mm<0.25×1.11 mm=0.278 mm，故塔墩裂縫仍滿足規(guī)范要求。

5.2 加勁梁承載能力分析

根據(jù)原設(shè)計要求，需驗算結(jié)構(gòu)承載力、穩(wěn)定性、疲勞強度及變形。

1) 結(jié)構(gòu)承載力檢算。根據(jù)計算模型，選擇各類構(gòu)件最大應(yīng)力見表2。

表2 各類構(gòu)件最大應(yīng)力表 MPa

由表2可知，各類構(gòu)件最大應(yīng)力均小于修正后的應(yīng)力限值，說明各類構(gòu)件強度滿足規(guī)范要求。

2) 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性檢算。根據(jù)原設(shè)計規(guī)范進行穩(wěn)定性計算。各類構(gòu)件基本參數(shù)見表3。

表3 各類構(gòu)件基本參數(shù)

考慮穩(wěn)定系數(shù)φ及檢算系數(shù)Z1，在組合I和組合II下，各類構(gòu)件的穩(wěn)定性檢算結(jié)果見表4。

表4 各類構(gòu)件的穩(wěn)定性檢算結(jié)果

由表4可知，考慮結(jié)構(gòu)損傷后各類構(gòu)件的穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。

3) 結(jié)構(gòu)疲勞強度檢算。構(gòu)件之間的連接采用栓接，容許應(yīng)力類別采用C類。結(jié)構(gòu)疲勞強度檢算結(jié)果見表5。

表5 結(jié)構(gòu)疲勞強度檢算結(jié)果 MPa

由表5可知，考慮損傷后結(jié)構(gòu)的疲勞強度有所降低，但仍能滿足原設(shè)計使用要求。

4) 變形檢算。根據(jù)原設(shè)計規(guī)范要求，懸索橋豎向容許撓度為L/400，L為計算跨徑。結(jié)構(gòu)變形檢算結(jié)果見表6。

表6 結(jié)構(gòu)變形檢算結(jié)果 m

由表6可知，加勁梁在汽車荷載(不計沖擊力)作用下的豎向撓度值小于損傷后的豎向容許撓度，滿足規(guī)范要求。

5.3 吊索承載能力分析

該橋吊索采用91Φ5.2高強鍍鋅平行鋼絲束，抗拉強度標準值為1 670 MPa，考慮損傷后，吊索力限值為0.96[σ]。計算考慮恒載作用下吊索的不均勻系數(shù)1.1，在組合I和組合II作用下最大索力值見表7。

表7 最大索力值

由表7可知，計算索力值小于修正后的應(yīng)力限值，說明吊索受力處于安全狀態(tài)。

6 結(jié)語

1) 通過無損檢測，掌握橋梁各部件的損耗程度及橋梁技術(shù)狀況，進而確定橋梁的各項檢算系數(shù)，為損傷橋梁承載能力評估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2) 考慮損傷后，橋梁實際承載能力雖整體有所削弱，但仍能滿足原設(shè)計使用要求，且有一定的安全儲備。

3) 基于無損檢測對運營狀態(tài)下特大懸索橋進行承載能力評估意義重大，能夠?qū)嶋H掌握橋梁的工作狀態(tài)，為橋梁運營養(yǎng)護、維修加固提供基礎(chǔ)依據(jù)，也為研究同類型橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力提供一定借鑒。