鋼管混凝土系桿拱橋的結(jié)構(gòu)檢測與評估1

1、第6期（總第156期）2011年12月CHINAMUNICIPALENGINEERINGNo6（SerialNo156）Dec2011DOI：103969/jissn10044655201106025鋼管混凝土系桿拱橋的結(jié)構(gòu)檢測與評估金國俊，高振（鎮(zhèn)江市市政設(shè)施管理處，江蘇鎮(zhèn)江212000）摘要：對鋼管混凝土系桿拱橋?qū)嵤┝顺Ｒ?guī)檢測和動、靜載試驗(yàn)，并結(jié)合有限元建模與分析；最終對橋梁進(jìn)行了安全評估，為橋梁的日常養(yǎng)護(hù)維修提供了依據(jù)。從荷載試驗(yàn)結(jié)果看，橋梁的各項(xiàng)檢測指標(biāo)符合試驗(yàn)規(guī)程要求，即當(dāng)前尚滿足設(shè)計(jì)荷載等級；但由于該橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，針對現(xiàn)存的安全隱患，應(yīng)立即組織維修。關(guān)鍵詞：鋼管混凝土；系桿拱橋；檢

2、測；有限元；評估中圖分類號：U4482256文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：10044655（2011）06006602針對1座下承式鋼管混凝土斜靠式系桿拱橋開展結(jié)構(gòu)檢測與評估，對該橋?qū)嵤┝税ㄍ庥^觀測、混凝土強(qiáng)度檢測和斜吊桿索內(nèi)力、鋼筋銹蝕程度、保護(hù)層厚度等結(jié)構(gòu)檢測。為了更準(zhǔn)確地判明結(jié)構(gòu)安全性及承載能力，又對其實(shí)施了動、靜載試驗(yàn)，并進(jìn)行有限元建模與分析。最終通過綜合檢測、試驗(yàn)與分析結(jié)果，判明了其安全技術(shù)狀況，為該橋的日常養(yǎng)護(hù)維修提供了科學(xué)依據(jù)。1橋梁概況橋梁為1座下承式鋼管混凝土斜靠式系桿拱橋，建于2002年，單跨過河，全橋總長81m，主拱計(jì)算跨徑70m，橋面全寬在橋臺處為40m，跨中加寬到52m，

3、人行道外側(cè)呈圓弧狀。橋梁縱向由直拱、系桿并綴以直吊桿構(gòu)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(gòu)成輔助縱向受力體系。橫向通過風(fēng)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(xié)同受力體系。擱置在橫梁上的行車道板及現(xiàn)澆層等構(gòu)成橋面行車系，擱置在橫梁上的人行道梁、板等構(gòu)成人行道系（見圖1）。檢測和細(xì)部構(gòu)件外觀檢測。經(jīng)檢測，橋面線形與設(shè)計(jì)基本吻合，直拱肋與斜拱肋部分區(qū)域滲水，油漆剝落與局部銹蝕明顯，并有進(jìn)一步發(fā)展趨勢。斜吊桿PE護(hù)套局部斷裂，上下錨固端漏油，個別錨頭漏油嚴(yán)重；橫梁及系桿局部滲水并伴有白色結(jié)晶物，出現(xiàn)水蝕現(xiàn)象，部分區(qū)域預(yù)應(yīng)力波紋管及鋼筋外露銹蝕。橋梁支座

4、鋼構(gòu)件銹蝕嚴(yán)重，伸縫裝置被雜物堵塞，個別泄水管堵塞、銹蝕。2）混凝土強(qiáng)度檢測?；炷翉?qiáng)度以超聲回彈綜合法為主進(jìn)行混凝土強(qiáng)度檢測。由于混凝土結(jié)構(gòu)不對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有一定的影響?？杀苊獾卮嬖谔蓟F(xiàn)象，經(jīng)檢測，混凝土碳化平均深度橫梁為093mm、系桿為083mm、縱梁為086mm。由于在碳化均值修正后混凝土強(qiáng)度60MPa，故此次采用超聲回彈綜合法推定橫梁混凝土強(qiáng)度值為56MPa，系桿混凝土強(qiáng)度為558MPa，縱梁混凝土強(qiáng)度為49MPa，實(shí)測強(qiáng)度值均大于設(shè)計(jì)值，即混凝土強(qiáng)度仍滿足原設(shè)計(jì)要求。3）鋼筋保護(hù)層厚度檢測。采用鋼筋探測儀檢驗(yàn)第1層鋼筋排列位置及鋼筋保護(hù)層厚度。經(jīng)檢測，橫梁橫橋向（內(nèi)層）鋼筋凈保護(hù)層厚

5、度均大于設(shè)計(jì)值（35mm），而豎向（外層）鋼筋凈保護(hù)層除1處（251mm）符合原設(shè)計(jì)值，其余均偏薄，小于設(shè)計(jì)值。系桿順橋向與豎向鋼筋凈保護(hù)層厚度均大于設(shè)計(jì)值。4）鋼筋銹蝕程度檢測。鋼筋的銹蝕嚴(yán)重影響著圖1鋼管混凝土系桿拱橋整體圖結(jié)構(gòu)的承載能力，并加速結(jié)構(gòu)的損壞。本次檢測采用電化學(xué)反應(yīng)半電池電勢原理對鋼筋銹蝕進(jìn)行定性測全橋共計(jì)56個測點(diǎn)，除2個測點(diǎn)的電位量。經(jīng)檢測，值200mV外，其余測點(diǎn)電位值均200mV，表2橋梁檢測1）橋梁外觀檢測。橋梁外觀檢測分為總體外觀66收稿日期：20110621金國俊，高振：鋼管混凝土系桿拱橋的結(jié)構(gòu)檢測與評估2011年第6期明測區(qū)內(nèi)鋼筋主要處于無銹蝕活動性或銹蝕活動

6、性不確定狀態(tài)，個別區(qū)域內(nèi)局部鋼筋有銹蝕活動性，但銹蝕狀態(tài)不確定，可能出現(xiàn)坑蝕。5）斜吊桿內(nèi)力測試。采用頻譜法測量了全橋南北兩側(cè)共計(jì)30根斜吊桿的內(nèi)力值。測試結(jié)果顯示，南北側(cè)實(shí)測索力在最終張拉力上下浮動（北側(cè)最終張拉力為360kN，南側(cè)最終張拉力為380kN），除去兩端短索由于測試誤差等因素不予采用外，北側(cè)索力差值變化范圍為26kN47kN，南側(cè)索力差值變化范圍為26kN16kN，與最終張拉力基本吻合。331動、靜載試驗(yàn)靜載試驗(yàn)采用30t加載車進(jìn)行等效加載，試驗(yàn)荷載均逐級遞加，達(dá)到最大荷載后一次卸載。分別采用振弦應(yīng)變計(jì)和光纖應(yīng)變計(jì)測量應(yīng)變，采用精密水準(zhǔn)儀測量橋面的豎向變形，采用光電撓度儀測量系桿

7、及橫梁下緣變形，采用全站儀測量拱肋變形。靜載試驗(yàn)各工況下所需加載車輛的數(shù)量及重量，根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)活荷載產(chǎn)生的某工況下的最不利效應(yīng)值按下式所定原則等效換算而得：08=SstaticSdesign（1+）10（1）構(gòu)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(jìn)行測定，強(qiáng)迫振動試驗(yàn)采用2輛試驗(yàn)載重車（30t）進(jìn)行跑車。共布置12個測1/2、3/4位置處點(diǎn)（每側(cè)6個），分別位于各跨的1/4、的橋面與直拱肋。脈動試驗(yàn)測點(diǎn)布置見圖3。圖3脈動試驗(yàn)測點(diǎn)立面、平面布置圖4有限元建模與分析本橋的有限元計(jì)算模型是通過橋梁專業(yè)軟件MIDAS建立的。拱橋采用桿系結(jié)構(gòu)計(jì)算力學(xué)模型進(jìn)行建模計(jì)算分析；對

8、于混凝土主梁、橫梁和鋼管斜拱肋，直接采用梁單元進(jìn)行模擬；對于吊桿采用只受拉的索單元進(jìn)行模擬；對于鋼管混凝土直拱肋先采用等效截面的方法計(jì)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(jì)446個節(jié)795個單元，點(diǎn)、結(jié)構(gòu)的有限元模型見圖4。式中：為靜力試驗(yàn)荷載效率；Sstatic為試驗(yàn)荷載作用下，某工況最大計(jì)算效應(yīng)值；Sdesign為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)活荷載不計(jì)沖擊作用時產(chǎn)生的某試驗(yàn)工況的最不利計(jì)算效應(yīng)；（1+）為設(shè)計(jì)計(jì)算取用的沖擊系數(shù)。本橋跨的試驗(yàn)加載控制工況與控制截面關(guān)系見圖2。圖4橋梁有限元計(jì)算模型5注：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。截面B，系桿梁1/4跨

9、截面的最大正彎矩和變形工況，對稱與偏載。截面B，系桿梁1/4跨截面的最大負(fù)彎矩工況，對稱與偏載。截面C，直拱肋拱頂截面最大變形工況，對稱與偏載。截面D，直拱肋1/4跨截面的最大變形工況，對稱與偏載。截面E，橫梁1/2跨截面的最大正彎矩工況，對稱與偏載。試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果對比分析在試驗(yàn)各工況對應(yīng)的動、靜載作用下，通過有限元模型計(jì)算結(jié)構(gòu)各控制截面的應(yīng)變、撓度及固有模態(tài)頻率，再與實(shí)測的結(jié)果進(jìn)行對比，從而對該橋的實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)的行車性能進(jìn)行檢定和安全承載能力、評估。實(shí)測本橋靜載試驗(yàn)的應(yīng)變和變形校驗(yàn)系數(shù)均滿足預(yù)應(yīng)力混凝土橋應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)050090和撓度校驗(yàn)系數(shù)060100的限值要求。實(shí)測最大殘余變滿足試驗(yàn)規(guī)程

10、20%的限值要求，說明橋形率為37%，（下轉(zhuǎn)第70頁）67圖2靜載試驗(yàn)控制截面32動載試驗(yàn)動載試驗(yàn)主要是檢測橋梁自身的動力特性和抵抗受迫振動與突發(fā)荷載的能力，分別采用脈動法測試橋梁結(jié)構(gòu)的固有模態(tài)，采用強(qiáng)迫振動試驗(yàn)檢測橋跨結(jié)孫家瑛，蔡明，陸青清，等：脫硫石膏改性三渣混合料的強(qiáng)度和耐久性研究2011年第6期物質(zhì)）的作用下形成鈣礬石的作用相關(guān)。在工程中，常用粉煤灰取代部分水泥改善混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力，粉煤灰取代水泥量越大，混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力越強(qiáng)。脫硫石膏的主要成分是CaSO4·2H2O，在水溶液環(huán)境下會游離出部分SO，為粉煤灰提供一個因此起到類似激發(fā)有利于形成鈣礬石的硫酸鹽環(huán)境，劑的

11、作用。這就解釋了為什么脫硫石膏改性三渣混合料具有十分強(qiáng)的抗硫酸鹽侵蝕能力。4試點(diǎn)工程應(yīng)用2011年6月在浦東新區(qū)申江路改造工程現(xiàn)場鋪筑脫硫石膏改性三渣基層試驗(yàn)段。配比為脫硫石膏粉煤灰石灰碎石=8171560，現(xiàn)場拌和時允許每種材料的質(zhì)量偏差為±3%。現(xiàn)場先用挖掘機(jī)把混合料攤平，再利用人工局部找平，最后采用壓路機(jī)碾壓。經(jīng)14d現(xiàn)場養(yǎng)生后，測試改性三渣混合料基層的后軸重回彈彎沉結(jié)果見表5。試驗(yàn)車型為BZZ100，10t、輪胎內(nèi)壓07MPa。試驗(yàn)位置為路中心（輔西4）側(cè)。平均回彈彎沉值為036mm，設(shè)計(jì)彎沉值為043mm。脫硫石膏改性三渣混合料基層的彎沉值滿足設(shè)計(jì)要求。524表5樁號K3K

12、3K3K3+830+850+860+890改性三渣混合料基層回彈彎沉試驗(yàn)報(bào)告實(shí)測彎沉038034040032平均值設(shè)計(jì)彎沉mm036043結(jié)語1）粉煤灰三渣混合料采用脫硫石膏等量置換粉7d強(qiáng)度煤灰可以提高早期強(qiáng)度，當(dāng)置換量為35%時，能夠滿足對三渣混合料的技術(shù)要求。可達(dá)155MPa，2）脫硫石膏改性三渣混合料抗凍性、耐水性和抗干濕循環(huán)能力、抗硫酸鹽侵蝕性能等長期性能均優(yōu)于普通三渣混合料。參考文獻(xiàn)：1孫家瑛，周承功，于鳴，等廢石膏用于粉煤灰三渣基層材料的研究J粉煤灰，2003（3）：35及應(yīng)用2張林，騰云提高二灰混合料基層早期強(qiáng)度的方法研究J重慶交1998，17（4）：4952，58通學(xué)院學(xué)報(bào)，

13、3張文生，武漢工業(yè)大周明凱，李春路面基層材料的改性研究J1997，19（4）：6062學(xué)學(xué)報(bào)，櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅（上接第67頁）梁的承載能力滿足要求。靜載試驗(yàn)校驗(yàn)系數(shù)及殘余變形見表1、表2。表1加載工況工況1工況2控制截面AB實(shí)測3255階次1變形計(jì)算/mm75822校驗(yàn)系數(shù)061077表3頻率/Hz計(jì)算192313365動載試驗(yàn)固有模態(tài)頻率實(shí)測197332381阻尼比/%160157122振型主要特性反對稱豎向彎曲對稱豎向彎曲對稱橫向彎曲靜載試驗(yàn)校驗(yàn)系數(shù)應(yīng)變計(jì)算6368校驗(yàn)系數(shù)051081實(shí)測/mm4662表4車速

14、條件v/km·h1極大動撓度/mm動載試驗(yàn)沖擊系數(shù)20127312191044109930127510464012571031表2加載工況工況1工況2加載方式對稱對稱靜載試驗(yàn)殘余變形撓度均值/mm7582殘余變形均值/mm0203殘余變形率/%2737截面AB靜載撓度/mm實(shí)測沖擊系數(shù)（1+）設(shè)計(jì)沖擊系數(shù)（1+）通過分析試驗(yàn)脈動數(shù)據(jù)，得到各模態(tài)的實(shí)測頻率均比相同模態(tài)振型對應(yīng)的計(jì)算頻率大，說明結(jié)構(gòu)整體剛度較好。通過測試各種強(qiáng)迫振動情況下的動撓度及對應(yīng)的最大靜載撓度，換算橋跨的沖擊系數(shù)處于正常范圍。實(shí)測沖擊系數(shù)最大值為0046（按規(guī)范計(jì)算為0099），說明試驗(yàn)橋跨的設(shè)計(jì)沖擊系數(shù)滿足規(guī)定。

15、實(shí)測固有模態(tài)基頻和計(jì)算值及動載試驗(yàn)沖擊系數(shù)見表4。表3、706結(jié)語本橋造型新穎獨(dú)特，結(jié)構(gòu)特殊，通過對橋梁的常規(guī)檢測、動靜載試驗(yàn)及有限元分析，對橋梁結(jié)構(gòu)從適用性方面、耐久性方面和安全性進(jìn)行了評定。從荷載試驗(yàn)結(jié)果看，該橋的各項(xiàng)檢測指標(biāo)符合試驗(yàn)規(guī)程要求，即當(dāng)前尚滿足于設(shè)計(jì)荷載等級，但由于該橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，吊桿及拱肋存在的安全隱患直接影響全橋的故應(yīng)立即組織維修。安全性，ABSTRACTSsteelpipejackingKeywords：steelpipejacking；curvedjacking；pathcontrolsystem；QingcaoshaWaterSourceRawWaterProject

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