既有混凝土斜拉橋承載能力檢測評估分析

崔洪年， 鄧 鳴

（1．天津市城市道路橋梁管理事務(wù)中心，天津 300171；2．長沙學(xué)院 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410003）

斜拉橋是我國大跨徑橋梁中最主要的橋型之一[1]。國內(nèi)外經(jīng)驗表明，隨著材料性能的降低以及交通荷載的不斷增加，混凝土斜拉橋在運營一段時間后面臨著安全性不足的問題。為保證這些橋梁的安全運營，有必要對其開展檢測評估，確定承載能力。

既有橋梁承載能力的確定，主要有結(jié)構(gòu)簡算法和荷載試驗法。陳亞亮[2]通過動靜載試驗對南平岷江大橋進行了承載能力分析；趙敏等[3]以某斜拉橋為研究對象，介紹了斜拉橋的評定方法；任洪飛等[4]依據(jù)相關(guān)規(guī)范，對某橋的安全性能進行了評估。

天津某斜拉橋修建于20 世紀80 年代，是當(dāng)時國內(nèi)斜拉橋的代表作之一，歷經(jīng)風(fēng)雨服役至今已超三十年，在日益繁重的交通荷載作用下，能否保持安全運營有待深入研究。本文基于原設(shè)計荷載標(biāo)準和現(xiàn)行公路-Ⅰ級[5]荷載標(biāo)準，分別進行靜載試驗，對其承載能力進行評估。

1 工程概況

某主橋為全長512 m的雙塔雙索面、塔墩固結(jié)、連續(xù)呈漂浮體系的預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，全寬14.6 m，橋跨布置為25.15 m+99.85 m+260 m+99.85 m+25.15 m；主梁高2.0 m，包括風(fēng)嘴總寬14.5 m。塔高55.5 m，塔柱斜腿段為型鋼骨架混凝土空心柱，主墩為沉井基礎(chǔ)，其余墩臺為管樁基礎(chǔ)，輔助墩設(shè)拉力擺索支座；原設(shè)計荷載為汽-20級，掛-100。

2006—2007 年，該橋進行了維修加固，主要內(nèi)容包括：拆除中跨合龍段、主梁線形調(diào)整、重建新的中跨合龍段、橋面鋪裝翻新、更換全橋拉索并對新索進行索力調(diào)整。2008 年底，該橋再次進行了加固，主要包括南北輔助墩拉力擺索更換、邊跨合龍段的修復(fù)及加固、索力調(diào)整等內(nèi)容。

2 基于原設(shè)計荷載標(biāo)準的靜載試驗

2.1 加載工況

通過采用有限元軟件Midas/Civil對該橋上部結(jié)構(gòu)進行模擬，全橋主梁、主塔、承臺采用梁單元模型，截面尺寸按照原設(shè)計文件以及后期維修資料選取；索單元為只受拉桁架單元，每個斷面4 根拉索，同側(cè)2 根拉索按面積等效為單根拉索；輔助墩拉力擺為只受拉桁架單元。有限元模型共計341 個節(jié)點，224 個梁單元，92 個只受拉桁架單元；全橋?qū)嶋H為縱向漂浮體系，為確保有限元程序計算順利進行，在跨中添加縱向約束。見圖1。

圖1 有限元模型

以結(jié)構(gòu)計算結(jié)果為基礎(chǔ)，設(shè)計出7 個加載工況，加載選用12臺30 t的三軸車，每個工況均采用三級加載。見表1。

表1 加載工況試驗效率

2.2 測試內(nèi)容及測點布置

1）撓度測點布置。縱橋向布置于試驗孔跨箱梁的控制截面以及孔跨的L/4、L/2、3L/4 處；橫橋向布置于兩側(cè)人行道，采用電子水準儀測量。

2）應(yīng)力測點布置。縱橋向同樣布置于試驗孔跨箱梁的控制截面以及孔跨的L/4、L/2、3L/4 處；橫橋向布置于兩腹板底部，每個點布設(shè)2個應(yīng)變片。

2.3 測試結(jié)果分析

2.3.1 撓度

選取每個工況最大撓度的斷面進行分析，荷載作用下各工況撓度校驗系數(shù)在0.77～1.00之間，相對殘余變位均在20%以內(nèi)。以工況5 為例，荷載作用下全橋線形實測值與理論值的對比結(jié)果見圖2。

圖2 工況5全橋主梁撓度對比

從圖2 可以看出，該橋?qū)崪y結(jié)果與理論結(jié)果基本一致；主跨的理論值稍大于實測值，說明理論分析模型與實際結(jié)果基本相符。

2.3.2 應(yīng)力

通過對各加載工況下各測點的應(yīng)變計算值和實測值進行對比，得到各工況下控制截面校驗系數(shù)的最大值、最小值和平均值，見表2。

表2 各加載工況應(yīng)力校驗系數(shù)

從表2 可以看出，各工況應(yīng)力的校驗系數(shù)最大值為0.95，最小值為0.53。說明原設(shè)計中橋跨結(jié)構(gòu)具有一定的安全儲備。

2.3.3 索力

在每個工況的加載前后均選擇變化幅度較大的斜拉索索力進行測試，見表3。

表3 各加載工況索力

從表3可以看出，除部分拉索的實測值偏大外，斜拉索索力的理論變化值和實測變化值基本一致。

從表1-表3 可以看出，該橋各控制斷面的測試數(shù)據(jù)與理論值吻合較好，橋梁結(jié)構(gòu)的實際剛度滿足汽-20級，掛-100荷載使用要求。

3 基于現(xiàn)行公路-Ⅰ級的靜載試驗

3.1 加載工況

試驗的工況設(shè)置和測點布置均與基于原設(shè)計荷載標(biāo)準的靜載試驗相同。為保證橋梁加載試驗的安全，將試驗效率控制在0.95～1.0之間，每個工況均分五級進行加載。

3.2 測試結(jié)果分析

在試驗過程中，工況2 和工況4 加載至第四級荷載時，橋梁的撓度和應(yīng)力數(shù)據(jù)已經(jīng)超過滿載荷載作用下的理論值。為保證結(jié)構(gòu)安全，這兩個工況沒有進行第五級加載。受篇幅所限，本文列出部分工況荷載作用下的撓度和應(yīng)力數(shù)據(jù)進行分析。

3.2.1 撓度

各工況荷載作用下，撓度檢測結(jié)果見表4。

表4 各工況撓度檢測結(jié)果

從表4 可以看出，工況5 荷載作用下橋梁實測撓度值變化趨勢與理論值一致并且數(shù)值接近，說明該橋整體性能良好；但在工況2 和工況4中，第四級荷載作用下?lián)隙戎捣謩e為53.9、54.84 mm，大于滿載作用下的理論值，說明橋梁結(jié)構(gòu)的剛度不滿足規(guī)范要求。

3.2.2 應(yīng)力

工況2 第四級荷載作用下，控制截面應(yīng)力最大值為41.4 MPa，大于滿級加載理論值39.80 MPa；工況4第四級荷載作用下，控制截面應(yīng)力最大值為43.4 MPa，大于滿級加載理論值39.80 MPa。

由此可見，該橋承載能力不能滿足現(xiàn)行公路-Ⅰ級荷載標(biāo)準。

4 結(jié)論

1）基于原設(shè)計荷載等級的靜載試驗結(jié)果表明，該橋承載能力滿足汽-20級，掛-100荷載標(biāo)準。

2）基于現(xiàn)行公路-Ⅰ級的靜載試驗結(jié)果表明，該橋承載能力不滿足公路-Ⅰ級荷載標(biāo)準。

3）在交通量日益繁重的情況下，為保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全，應(yīng)對橋梁進行限載處理并在橋梁運營過程加強監(jiān)測。