运营状态下特大悬索桥无损检测及承载能力评估

2021-06-28王宇新

交通科技 2021年3期

王宇新

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司武汉 430052)

桥梁结构在自然环境和长、短期荷载(结构自重、汽车荷载、风荷载等)作用下，结构材料的强度、刚度等不可避免地会受到不利影响，使得桥梁结构的安全性、适用性及耐久性降低，最终影响桥梁结构的承载能力。曾德礼[1]通过动静载试验的方法对鹦鹉洲长江大桥的承载能力进行了分析。何加江[2]计算了某悬索桥的受力情况，杨光哲等[3]对杨泗港大桥的承载能力进行了计算。本文以某双铰钢桁梁悬索桥为例，通过桥梁无损检测手段，现场确定结构损伤和运营状态[4]，结合有限元分析程序对其进行承载能力评估，为以后养护、维修和技术改造提供必要的科学依据。

1 桥梁概况

某双铰钢桁梁悬索桥桥跨组合为900 m+5×40 m，桥长1 108 m，设计荷载为汽车-超20级、挂车-120级，设单向2.41%纵坡，全桥是整体式断面，双向四车道，桥面净宽24.5 m，设双向2%的横坡。

主桥为900 m双铰钢桁梁悬索桥，主缆矢跨比1∶10，加劲钢桁梁高6.5 m，主桁吊索横向间距26 m，纵向间距12.8 m，塔墩为门形混凝土塔，基础为直径2.8 m桩基础。东岸设计采用隧道锚，西岸采用重力式锚碇。

钢桁架杆件及桥面系纵、横梁均采用Q345D低合金结构钢。钢桁架杆件间连接采用现场高强螺栓连接，高强螺栓性能等级10.9S级，材质为20MnTiB。主缆采用预制平行钢丝索股(PPWS)。平行钢丝索股每股含127Φ5.1镀锌高强钢丝。

桥面系采用纵向工字梁与混凝土桥面板的结合形式。纵梁横向间距1.95 m，梁高0.66 m，简支在主桁横梁上弦杆上，纵梁仅在两端设置横隔梁。

桥型布置及横断面图见图1、图2。

图1 桥型布置示意图(单位：cm)

图2 索塔及加劲梁横断面图(单位：cm)

2 桥梁无损检查

2.1 外观检查

经现场检查，主桥存在以下病害。

加劲梁6个螺栓缺失，部分节点螺栓锈蚀；1号、2号索塔表面出现少量竖向裂缝及网状裂缝；少量支座存在偏位、脱空或剪切现象；主鞍部分螺栓锈蚀、松动；主缆螺栓轻微锈蚀、主缆表面涂层脱落；部分吊索下锚头顶部螺栓及垫板轻微锈蚀、吊索连杆起皮脱落、螺栓轻微锈蚀；重力式锚及隧道式锚头上承板与下钢盆存在间隙、部分锚头螺栓倾斜。锚锭出现少量横向及斜向裂缝；宜昌侧左索塔处桥面出现1条横向裂缝；左幅减速带出现磨损现象；右幅60号吊索处桥面铺装出现横向裂缝。L27号吊索处伸缩缝锚固混凝土破损，止水带局部破损；L50号吊索伸缩缝止水带局部脱落；恩施侧左索塔伸缩缝止水带破损；恩施侧右索塔伸缩缝止水带破损。

桥梁总体技术状况评定得分为88.0，被评为2类桥梁。

2.2 墩塔混凝土无损检测

在桥梁墩塔结构选择了32个区域，每个区域均进行了混凝土碳化、强度、钢筋保护层厚度、钢筋电位锈蚀检测，另对混凝土裂缝深度进行了专项检测。检测结果表明[5]：

1) 墩塔混凝土有轻微碳化现象，所有碳化深度均小于混凝土保护层厚度50%，对结构耐久性的影响较轻微，评定标度值为1。

2) 实测混凝土强度均大于设计强度50 MPa，混凝土强度评定标度为1，处于良好状态。

3) 在墩塔钢筋保护层厚度的32个检测面中，15个检测面钢筋保护层最大评定标度为2，保护层厚度对结构钢筋耐久性有轻度影响；其余检测部位钢筋保护层评定标度为1，保护层厚度对结构钢筋耐久性影响不显著。

4) 墩塔钢筋锈蚀电位测区的电位水平均在0～-200 mV之间，评定标度为1，无明显锈蚀状况或锈蚀活动不确定。

5) 墩塔混凝土裂缝均为非结构受力裂缝，表面裂缝最大深度3 cm。

2.3 吊索索力

该桥吊索实测索力值与参考值相比偏差均在10%以内，索力值分布较均匀，无明显异常。

2.4 桥梁振动特性检测

桥梁自振频率变化不仅能够反映结构损伤情况，而且还能反映结构整体性能和受力体系的改变。通过测试桥梁自振频率的变化，可以分析桥梁结构性能，评价桥梁工作状况。

该悬索桥实测频率与理论频率对比结果见表1。

表1 实测频率与理论频率对比

由表1可知，实测各阶频率与相应理论频率比值在1.22～1.34之间，评定标度值为1，说明该桥整体结构的动刚度处于良好状态。

3 分项检算系数确定

3.1 塔墩承载能力检算系数

结合缺损状况、材质强度、自振频率，塔墩承载能力检算系数评定标度D=1.8，承载能力检算系数Z1=1.11。

3.2 塔墩承载能力恶化系数

结合缺损状况、钢筋锈蚀电位、混凝土碳化深度、钢筋保护层厚度、混凝土强度等，塔墩承载能力恶化系数评定标度E=1.76，承载能力恶化系数ξe=0.065 2。

3.3 墩塔截面折减系数

结合材料风化、碳化、物理与化学损伤，墩塔截面损伤的综合评定标度R=2.00，构件截面折减系数ξc=0.98。

3.4 塔墩钢筋截面折减系数

结合塔墩钢筋存在的损伤，钢筋截面折减系数ξs=1.00。

3.5 钢结构承载能力检算系数

结合钢构件外观检查结果，钢结构承载能力检算系数Z1=0.92。

3.6 吊索承载能力检算系数

结合吊索外观检查结果，吊索承载能力检算系数Z1=0.96。

3.7 活载影响修正系数的确定

调查该桥梁的典型代表交通量、大吨位车辆混入率、轴荷分布后，活载影响修正系数取1.0。

4 理论模型分析

4.1 有限元模型

依据midas Civil，结合实桥布置建立有限元模型，采用梁单元模拟钢桁梁、主缆、吊杆、主墩及索塔，边界条件为主缆在两端通过锚碇固定，做固端处理，钢桁梁与索塔设置抗风支座，约束其横向位移，纵桥向位移自由，主塔基础为扩大基础，基础支承在基岩上，塔身底部做固结处理[6]。全桥共计2 409个节点，5 648个梁单元，8个桁架单元，混凝土自重取26 kN/m3，沥青混凝土自重取24 kN/m3。空间有限元模型见图3。

图3 主桥空间有限元模型

4.2 荷载及荷载组合

桥梁上的荷载分为永久荷载、可变荷载，永久荷载为结构重力、混凝土收缩徐变及影响力，可变荷载为汽车、风力、温度影响力。

二期荷载(桥面铺装)换算成均布荷载加载到梁单元上，车辆荷载为设计荷载，即汽超-20级，挂车-120，钢结构体系升温30 ℃,体系降温30 ℃，混凝土结构体系升温25 ℃,体系降温25 ℃，主塔顺桥向温差±5 ℃，钢结构与混凝土结构温差±10 ℃，按桥面风速28 m/s进行顺桥向、横桥向阵风荷载计算。支座不均匀沉降为索塔取0.5 cm、制动力按六车道同方向计算，每一个车道的制动力为1行汽车车队总重力的10%。制动力作用在桥面以上1.2 m处。

塔墩的分析主要考虑以下组合(组合方式为不利组合)。

组合1：恒载+汽车。

组合2：恒载+汽车+风荷载+温度影响力+制动力。

主梁整体运营阶段的分析主要考虑以下组合(组合方式为不利组合)。

组合I：恒载+汽车。

组合II：恒载+汽车+桥面28 m/s风荷载+温度影响力+制动力。

5 承载能力评估

5.1 塔墩承载能力评估

1) 结构强度检算。该塔墩塔柱及横梁为钢筋混凝土结构，受力形式为偏心受压构件，在基本组合下塔墩纵向最大轴压力为43 883 kN，对应的弯矩为426 001 kN·m。

考虑损伤后塔墩底部矩形截面偏心受压的正截面设计轴力为655 797 kN，设计弯矩为2 718 821 kN·m，基于偏心距及结构重要性系数，正截面轴力效应值为468 601 kN，弯矩效应值为1 923 483 kN·m，损伤后的正截面设计值均大于正截面效应值，说明考虑结构损伤后塔墩正截面强度仍满足规范要求。

2) 塔墩变形检算。根据原设计规范，在汽车荷载(不计冲击力)作用下塔墩变形限值fL=Z1L(已考虑承载能力检算系数)。

依据计算模型，塔墩在汽车荷载作用下的最大变形为75 mm<437 mm(桥塔高度为118.2 m)，故塔墩变形仍满足规范要求。

3) 裂缝宽度验算。根据原设计规范，在正常使用极限状态下，塔墩裂缝为0.136 mm<0.25×1.11 mm=0.278 mm，故塔墩裂缝仍满足规范要求。