吊桿拱橋的承載能力評定與分析

摘要 針對吊桿拱橋在實(shí)際運(yùn)營中暴露的銹蝕、斷絲等病害，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致索體斷裂，易引起橋梁坍塌事故，文章以攀枝花市倮果金沙江大橋?yàn)楸尘?，介紹了吊桿拱橋的技術(shù)狀況評定及承載能力評定，根據(jù)橋梁表觀缺損、材質(zhì)狀況、狀態(tài)參數(shù)、橋梁基頻、焊縫無損等的檢測結(jié)果，采用有限元軟件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，評定了橋梁現(xiàn)狀，為后期養(yǎng)護(hù)決策提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞 公路吊桿拱橋；檢測；承載能力評定

中圖分類號 U446 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）17-0116-03

0 引言

吊桿拱橋作為一種新型的橋梁形式，具有多種優(yōu)點(diǎn)，如強(qiáng)度高、塑性好、荷載傳遞效果好、施工便捷、美觀等。我國中下承式吊桿拱橋的建設(shè)起步較晚。吊桿作為中下承式拱橋的主要受力部件，其受力情況如何，不僅在設(shè)計(jì)階段需要考慮，同時(shí)在使用過程中也要進(jìn)行檢測。現(xiàn)階段，這些橋梁吊桿、系桿以及其他方面的病害開始逐漸暴露，如吊桿鋼絞線出現(xiàn)銹蝕、錨頭鋼絞線出現(xiàn)內(nèi)縮、滑移現(xiàn)象等，橋梁的耐久性能和承載能力會隨之降低。為了解橋梁的工作性能，需對其承載能力進(jìn)行檢測與質(zhì)量評定，以保證其安全運(yùn)營。

1 項(xiàng)目概況

攀枝花倮果金沙江大橋位于攀枝花市東區(qū)銀江鎮(zhèn)倮果境內(nèi)，橫跨金沙江，是連接S310線、G227線、渡金線的重要通道，具體位于張掖至孟連K2594+280處，路線編號為G227，橋梁于1995年10月建成通車。橋梁全長208 m，縱向布置為3×8 m（預(yù)應(yīng)力混凝土空心板）+1×160 m（中承式勁性骨架鋼筋混凝土箱形肋拱橋）+2×8 m（預(yù)應(yīng)力混凝土空心板）。主橋橋面總寬18.0m，橫向布置為3 m（人行道）+12 m（行車道）+3 m（人行道）；兩側(cè)引橋橋面總寬15 m，橫向布置為1.5 m（人行道）+12 m（行車道）+1.5 m（人行道）。橋梁設(shè)計(jì)荷載為汽車-超20級，掛車-120。

上部結(jié)構(gòu)：主橋?yàn)?×160 m的中承式勁性骨架鋼筋混凝土箱形肋拱橋；北岸引橋?yàn)?×8 m的預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁橋；南岸引橋?yàn)?×8 m的預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁橋。

下部結(jié)構(gòu)：橋臺為重力式橋臺，擴(kuò)大基礎(chǔ)；橋墩為樁柱式橋墩，樁基礎(chǔ)。

橋面系：橋面采用水泥混凝土鋪裝，兩側(cè)分別設(shè)置人行道和鋼管欄桿，全橋共設(shè)置4道伸縮縫。

2 檢查內(nèi)容

檢查內(nèi)容具體包括：外觀病害檢測（上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、橋面系）、材質(zhì)狀況檢測（混凝土強(qiáng)度、鋼筋保護(hù)層厚度、混凝土碳化深度、鋼筋銹蝕狀況、鋼筋銹蝕電位差、焊縫超聲法檢測）、狀態(tài)參數(shù)檢測（拱腹線形檢測、橋面高程測量、自振頻率、吊桿索力）、結(jié)構(gòu)承載能力檢算等[1]。

3 檢查結(jié)果

3.1 表觀缺損狀況

（1）北岸引橋表觀缺損見表1所示：

（2）南岸引橋表觀缺損見表2所示：

3.2 材質(zhì)狀況檢測結(jié)果

該文對倮果金沙江大橋主要承重構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度、鋼筋保護(hù)層厚度、混凝土碳化深度以及混凝土電阻率狀況進(jìn)行了檢測。

測試結(jié)果表明：受檢構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度狀況良好；橋面板、橫梁和鋼筋保護(hù)層厚度對結(jié)構(gòu)耐久性的影響不顯著，拱肋保護(hù)層厚度特征值為45.5 mm，但拱肋由于無設(shè)計(jì)值無法對其進(jìn)行判定；混凝土碳化對鋼筋銹蝕的影響不顯著；混凝土中鋼筋可能銹蝕的速率很慢；混凝土中鋼筋無銹蝕活動(dòng)性，但銹蝕活動(dòng)性不確定，可能坑蝕；并在現(xiàn)場對倮果金沙江大橋1#、2#縱梁共計(jì)5條橫向?qū)雍缚p（共計(jì)1.5 m），進(jìn)行了超聲法無損檢測，結(jié)果均滿足規(guī)范要求，合格率為100%[2]。

3.3 狀態(tài)參數(shù)檢測結(jié)果

（1）拱腹線形檢測

拱肋線形總體平順，未見異常情況，兩側(cè)拱肋最大相對高差在拱頂位置，為6.5 cm。

（2）橋面線形檢測

倮果金沙江大橋上下游兩側(cè)的橋面線形，總體較順適平滑且基本吻合，但局部存在一定的高差現(xiàn)象。倮果金沙江大橋大北岸側(cè)存在雙向縱坡，下游側(cè)線形整體略高于上游側(cè)，兩側(cè)高差為?0.011 32～0.026 17 m。但在主跨的跨中附近，下游側(cè)線形略低于上游側(cè)，跨中測點(diǎn)位置的下游側(cè)高程略低于上游側(cè)約0.007 09 m。

（3）自振頻率測試

實(shí)測前二階頻率值分別為1.191 Hz、1.982 Hz，大于理論基頻0.975 Hz、1.368 Hz，與理論計(jì)算自振頻率的比值為1.122～1.449，表明結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度大于計(jì)算剛度，自振頻率評定標(biāo)度為1[3]。

（4）伸縮縫上槽口寬度測量

倮果金沙江大橋每道伸縮縫兩側(cè)及中間縫寬均不一致，且與設(shè)計(jì)寬度（50 mm）存在較大差異（?41～25 mm），因此伸縮縫寬度存在異常，建議加強(qiáng)伸縮縫縫寬變化情況的觀測[4]。

（5）吊桿拉力測試

1）倮果金沙江大橋吊桿拉力橫向?qū)ΨQ性整體較好，除3-1#及3-2#吊桿外，左右側(cè)實(shí)測的吊桿拉力偏差為?6.2%～7.0%；3-1#及3-2#吊桿左右側(cè)偏差較大（?10.6%～?14.5%），可能是吊桿較短所致。

2）倮果金沙江大橋吊桿拉力與理論索力偏差為?2.7%～39.8%，索力最大偏差較大，均為相對較短的吊桿（3-1#偏差最大為16.1%、3-2#偏差最大為38.0%、10-1#偏差最大為24.6%、11-1#偏差最大為39.8%），可能是吊桿較短所致[5]。

（6）吊桿錨頭檢測

共發(fā)現(xiàn)4處錨頭密封圈缺失，分別為Z-1-1#上錨頭、Z-4-1#上錨頭、Y-7-2#上錨頭、Y-13-2#上錨頭

3.4 技術(shù)狀況評定結(jié)果

依據(jù)《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T H21—2011）中第4.1.5～4.1.8章節(jié)相關(guān)規(guī)定，經(jīng)綜合分析，倮果金沙江大橋橋梁的技術(shù)狀況評分為85.61，評定為2類；橋梁處于較好狀態(tài)，有輕微缺損，但對橋梁使用功能無影響。

3.5 承載能力檢算結(jié)果

對倮果金沙江大橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢算時(shí)，根據(jù)上述檢測結(jié)果，結(jié)合橋梁自身特點(diǎn)，采用Midas Civil（2021版）軟件對橋梁結(jié)構(gòu)離散建立如圖1所示的有限元檢算模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢算分析。

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTJ 021—89）、《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 023—85）、《公路磚石及混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 022—85）及《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）相關(guān)規(guī)定，該橋拱肋、橋面板、橫梁及吊桿按極限狀態(tài)的檢算原則：荷載效應(yīng)不利組合的計(jì)算值小于或等于抗力效應(yīng)的計(jì)算值，即：

γ0S≤R（fd，ξcad）Z1 （1）

根據(jù)上述規(guī)范規(guī)定，該文進(jìn)行如下三種荷載組合：

組合Ⅰ：恒載（SG）＋汽車（SQ）；

組合Ⅱ：恒載（SG）＋汽車（SQ）+溫度（SW）；

組合Ⅲ：恒載（SG）＋掛車（SG）。

3.5.1 拱肋承載能力檢算結(jié)果

按照《公路磚石及混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢算，在“汽車-超20級，掛車-120，人群3.5 kN/m2”荷載作用下，拱肋各個(gè)最不利控制截面荷載效應(yīng)的不利組合理論值均小于抗力效應(yīng)的理論值，且偏心距均在允許范圍內(nèi)；在“汽車-超20級，掛車-120，人群3.5 kN/m2”荷載作用下，拱肋拱腳正截面的直接受剪強(qiáng)度檢算滿足規(guī)范要求；在“汽車-超20級，掛車-120，人群3.5k N/m2”荷載作用下，拱肋整體的“強(qiáng)度-穩(wěn)定”承載能力滿足要求，具體結(jié)果分別見表4、表5所示：

3.5.2 橋面板承載能力檢算結(jié)果

橋面板在“汽車-超20級，掛車-120，人群3.5 kN/m2”荷載作用下的抗彎檢算結(jié)果、支點(diǎn)附近抗剪結(jié)果，均滿足規(guī)范要求[6]。

3.5.3 橫梁承載能力檢算結(jié)果

橫梁在“汽車-超20級，掛車-120，人群3.5 kN/m2”荷載作用下的抗彎檢算結(jié)果、支點(diǎn)附近抗剪結(jié)果，均滿足規(guī)范要求[7]。

3.5.4 吊桿承載能力檢算結(jié)果

根據(jù)收集到的相關(guān)圖紙信息，吊桿結(jié)構(gòu)信息齊全，按照《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》中拉吊索承載能力的檢算原則進(jìn)行檢算，吊桿上端采用85φ7、1670 MPa的高強(qiáng)鍍鋅鋼絲束。在“汽車-超20級，掛車-120，人群3.5 kN/m2”荷載作用下，其吊桿承載能力的檢算結(jié)果滿足規(guī)范要求，具體結(jié)果見表6所示：

通過對倮果金沙江大橋拱肋、橋面板、橫梁及吊桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載能力檢算，結(jié)果表明該橋在“汽車-超20級，掛車-120，人群3.5 kN/m2”荷載作用下的承載能力均滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語

綜上所述，攀枝花倮果金沙江大橋在運(yùn)營一段時(shí)間后出現(xiàn)一些病害，結(jié)合該橋表觀缺損狀況、材質(zhì)狀況、狀態(tài)參數(shù)，進(jìn)行建模分析，結(jié)果表明該橋拱肋、橋面板、橫梁及吊桿結(jié)構(gòu)在“汽車-超20級，掛車-120，人群3.5 kN/m2”荷載作用下的承載能力均滿足規(guī)范要求，后期養(yǎng)護(hù)按照《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》（JTG 5120—2021）對該橋進(jìn)行定期檢查和日常維護(hù)，以便發(fā)現(xiàn)情況及時(shí)進(jìn)行處理。

參考文獻(xiàn)

[1]張斌，謝瑜軒，周青松，等.中下承式拱橋吊桿病害分析與更換施工監(jiān)控方法研究[J].市政技術(shù)，2024（1）：80-85+123.

[2]盧舒舒，陳道富，黃漢輝，等.吊桿索力偏差對鋼箱拱梁組合橋拱肋受力性能的影響[J].武夷學(xué)院學(xué)報(bào)，2023（12）：64-74.

[3]金成棣，趙天麟.組合式系桿拱橋面內(nèi)外穩(wěn)定性分析[J].上海公路，2021（4）：40-44+50+142.

[4]郝佳佳.新型吊桿布置系桿拱橋結(jié)構(gòu)受力分析[J].城市道橋與防洪，2023（10）：75-78+17.

[5]張宗山.系桿拱橋結(jié)構(gòu)受力分析[J].中國水運(yùn)，2021（12）：151-153.

[6]李曉輝.異形系桿拱橋吊桿索力檢測及吊桿斷裂模擬研究[J].湖南交通科技，2023（3）：160-164.

[7]李鑫，李斯涵，位東升，等.中承式拱橋吊桿專項(xiàng)檢測及可靠性分析[J].建材技術(shù)與應(yīng)用，2022（5）：40-44.