鋼管混凝土系桿拱橋的結構檢測與評估

金國俊，高 振

（鎮江市市政設施管理處，江蘇 鎮江市 212003）

0 前言

鋼管混凝土拱橋是我國近年來橋梁建筑發展的新技術，具有外形美觀、自重輕、跨度大、抗變形能力強等優點，但國內目前對鋼管混凝土拱橋尚未出臺完整的設計規范，更無成熟的使用與養護經驗可供借鑒。因此，針對鋼管混凝土拱橋開展結構檢測與評估的研究，對其設計與養護技術發展無疑具有積極的作用。

本文針對一座下承式鋼管混凝土雙提籃系桿拱橋開展結構檢測與評估，對該橋實施了包括外觀觀測，混凝土強度檢測和斜吊桿索內力，鋼筋銹蝕程度，保護層厚度等結構檢測。為了更準確地判明結構安全性及承載能力，又實施了動、靜載試驗，并對其進行有限元建模與分析。最終通過綜合檢測、試驗與分析結果，判明了其安全技術狀況，為該橋的日常養護維修提供了科學依據。

1 橋梁概況

本文研究的橋梁建于2002年，為國內首座采用雙提籃型式的下承式鋼管混凝土系桿拱橋（見圖1），單跨過河，全橋總長81 m，主拱計算跨徑70 m，橋面全寬在橋臺處為40m，跨中加寬到52m，人行道外側呈圓弧狀。橋梁縱向由直拱、系桿并綴以直吊桿構成主要縱向受力體系。由直接支承于承臺的斜拱及斜吊桿構成輔助縱向受力體系。橫向通過風撐將直拱肋與斜拱肋連成整體，并最終通過橫梁將橋面連成整體，形成一個空間協同受力體系。擱置在橫梁上的行車道板及現澆層等構成橋面行車系，擱置在橫梁上的人行道梁、板等構成人行道系。

2 橋梁檢測

2.1 橋梁外觀檢測

橋梁外觀檢測分為總體外觀檢測和細部構件外觀檢測。經檢測，橋面線型與設計基本吻合，直拱肋與斜拱肋部分區域滲水，油漆剝落與局部銹蝕明顯，并有進一步發展趨勢；斜吊桿PE護套局部斷裂，上下錨固端漏油，個別錨頭漏油嚴重；橫梁及系桿局部滲水并伴有白色結晶物，出現水蝕現象，部分區域預應力波紋管及鋼筋外露銹蝕；橋梁支座鋼構件銹蝕嚴重，伸縫裝置被雜物堵塞，個別泄水管堵塞、銹蝕。

2.2 混凝土強度檢測

混凝土強度以超聲回彈綜合法為主，按同批構件進行混凝土強度檢測。由于混凝土結構不可避免地存在碳化現象，對結構強度有一定的影響，碳化程度檢測結合超聲回彈法檢測混凝土強度時實施。經檢測，混凝土碳化平均深度為：橫梁為0.93 mm，系桿為0.83mm，縱梁為0.86mm。

由于在碳化均值修正后混凝土強度不小于60 MPa，故此次采用超聲回彈綜合法推定橫梁混凝土強度值為56MPa，系桿混凝土強度為55.8 MPa，縱梁混凝土強度為49 MPa，實測強度值均大于設計值，即混凝土強度滿足原設計要求。

2.3 鋼筋保護層厚度檢測

鋼筋保護層厚度檢測是采用鋼筋探測儀檢驗第一層鋼筋排列位置及鋼筋保護層厚度是否符合規定。經檢測，橫梁橫橋向（內層）鋼筋凈保護層厚度均大于設計值（35 mm），而豎向（外層）鋼筋凈保護層除一處（25.1 mm）符合原設計值，其余均偏薄，小于設計值。系桿順橋向與豎向鋼筋凈保護層厚度均大于設計值。

2.4 鋼筋銹蝕程度檢測

鋼筋的銹蝕嚴重影響著結構承載能力，并加速結構的損壞。本次采用電化學反應半電池電勢原理對鋼筋銹蝕進行定性測量。經檢測，全橋共計56個測點，除2個測點電位置小于-200 mV外，其余測點電位值均大于-200 mV，表明測區內鋼筋主要處于無銹蝕活動性或銹蝕活動性不確定狀態，個別區域內局部鋼筋有銹蝕活動性，但銹蝕狀態不確定，可能出現坑蝕。

2.5 斜吊桿內力

采用頻譜法測量了全橋南北兩側共計30根斜吊桿的內力值。測試結果顯示，南北側實測索力在最終張拉力上下浮動（北側最終張拉力：360 kN，南側最終張拉力：380 kN），除去兩端短索由于測試誤差等因素不予采用外，北側索力差值變化范圍為-26～47 kN，南側索力差值變化范圍為-26～16 kN，與最終張拉力基本吻合。索力具體實測分布情況見圖2。

圖1 鋼管混凝土系桿拱橋整體圖

圖2 索力實測分布圖

3 動、靜載試驗

3.1 靜載試驗

采用30 t加載車(見圖3)進行等效加載，試驗荷載均逐級遞加，達到最大荷載后一次卸載。分別采用振弦應變計和光纖應變計測量應變，采用精密水準儀測量橋面的豎向變形，采用光電撓度儀測量系桿及橫梁下緣變形，采用全站儀測量拱肋變形。

圖3 加載車輛

靜載試驗各工況下所需加載車輛的數量及重量，根據設計標準活荷載產生的某工況下的最不利效應值按以下公式所定原則等效換算而得：

式中：η——靜力試驗荷載效率；

Sstatic——試驗荷載作用下，某工況最大計算效應值；

Sdesign——設計標準活荷載不計沖擊作用時產生的某試驗工況的最不利計算效應；

(1+μ)——設計計算取用的沖擊系數。

該橋跨的試驗加載控制工況與控制截面關系如下：

（1）截面A，系桿梁跨中截面的最大正彎矩和變形工況，對稱與偏載。

（2）截面B，系桿梁1/4跨截面的最大正彎矩和變形工況，對稱與偏載。

（3）截面B，系桿梁1/4跨截面的最大負彎矩工況，對稱與偏載。

（4）截面C，直拱肋拱頂截面最大變形工況，對稱與偏載。

（5）截面D，直拱肋1/4跨截面的最大變形工況，對稱與偏載。

（6）截面E，橫梁1/2跨截面的最大正彎矩工況，對稱與偏載。

圖4為靜載試驗控制截面。

3.2 動載試驗

動載試驗主要是檢測橋梁自身的動力特性和抵抗受迫振動和突發荷載的能力，分別采用脈動法測試橋梁結構的固有模態，采用強迫振動試驗檢測橋跨結構在車輛荷載下的抵抗受迫振動特性。其中梁體混凝土動撓度采用光電撓度進行測定，強迫振動試驗采用兩輛試驗載重車（30 t）進行跑車。共布置12個測點（每側6個），分別位于各跨的1/4、1/2、3/4位置處的橋面與直拱肋。脈動試驗測點布置如圖5。

4 有限元建模與分析

該橋有限元計算模型是通過橋梁專業軟件Midas建立的，拱橋采用桿系結構計算力學模型進行建模計算分析，對于混凝土主梁、橫梁和鋼管斜拱肋直接采用梁單元進行模擬，對于吊桿采用只受拉的索單元進行模擬。對于鋼管混凝土直拱肋先采用等效截面的方法計算出等效混凝土截面大小，然后采用梁單元模擬鋼管混凝土直拱肋。全橋共計446個節點、795個單元，結構的有限元模型見圖6。

圖4 靜載試驗控制截面

圖5 脈動測點立面、平面布置圖（單位：m）

圖6 橋梁有限元計算模型

5 試驗與計算結果對比分析

在試驗各工況對應的動、靜載作用下，通過有限元模型計算結構各控制截面的應變、撓度及固有模態頻率，再與實測的結果進行對比，從而對該橋的實際承載能力、橋梁結構的行車性能進行檢定和安全評估。

實測該橋靜載試驗的應變和變形校驗系數均滿足預應力混凝土橋應變校驗系數0.50～0.90，撓度校驗系數0.60～1.00的限值要求。實測最大殘余變形率為3.7%，滿足試驗規程20%的限值要求，說明橋梁的承載能力滿足要求。靜載試驗校驗系數及殘余變形見表1、表2。

表1 靜載試驗校驗系數

表2 靜載試驗殘余變形

通過分析試驗脈動數據，得到各模態的實測頻率均比相同模態振型對應的計算頻率大，說明結構整體剛度較好。通過測試各種強迫振動情況下的動撓度及對應的最大靜載撓度，換算橋跨的沖擊系數處于正常范圍，實測沖擊系數最大值為0.046（按規范計算為0.099），說明試驗橋跨的設計沖擊系數滿足規定，實測固有模態基頻、計算值和動載試驗沖擊系數見表3、表4。

表3 動載試驗固有模態頻率

表4 動載試驗沖擊系數

6 結語

該橋型造型新穎獨特，結構特殊，通過本次對橋梁進行的常規檢測、動靜載試驗及有限元分析，對橋梁結構從適用性方面、耐久性方面和安全性進行了評定。從荷載試驗結果看，該橋的各項檢測指標符合試驗規程要求，即當前滿足于設計荷載等級，但由于該橋的結構特點，吊桿及拱肋存在的安全隱患直接影響全橋的安全性，應立即組織維修。