基于实测数据的自锚式悬索桥技术状况评估

基于实测数据的自锚式悬索桥技术状况评估

钱红卫

钱红卫

天津市交通科学研究院天津市300300

摘要：桥梁技术状况评估是对桥梁进行关键参数检测和外观检查，利用实测信息和数据对桥梁的结构缺陷、承载能力、服务水平等所作的一项综合评估[1]。本文针对自锚式悬索桥的受力特点，以一座实桥为例，在常规外观缺陷检查的基础上，对关键构件如吊杆索力、主缆线形、自振频率等参数进行检测，以对桥梁进行综合评估，为桥梁养管提供技术依据。

关键词：实测数据；自锚式悬索桥；技术状况评估

1工程概况

桥梁全长415.86m，桥宽42m，为跨径组合78m+180m+78m的三跨自锚式悬索桥。主桥采用现浇预应力混凝土箱梁，长336m，纵向为漂浮体系，塔梁分离、塔墩固结；索塔采用扁平的半弓形双塔，双塔间设上下二道横梁，为预应力混凝土结构，主塔全高44.1m；主缆：共计2根，横向间距21.5m，每根主缆由61股91丝Φ5.35的平行钢丝组成；吊杆：全桥共49对，吊杆间距5.0m，采用单根121丝Φ7成品钢丝束，冷铸锚锚固体系。索鞍：由鞍体、索鞍底座上平板及盖板等组成。

2桥梁实测数据分类

2.1外观缺陷

对桥梁外观进行全面检查，以判断外观缺陷对桥梁技术状况的影响，除规范规定的主要检查内容，重点检查项目包括主缆索、索鞍、锚头等[2]。

经现场检查，上部结构状况较好。主要病害表现为：

悬吊系统：主缆防护漆开裂、环向裂缝、锚头防护罩漏油；吊杆下锚头垫板周边漏油；吊杆上锚头漆皮脱落、PE划痕、装饰护套内存水、防水罩螺栓锈迹等。

主梁、桥面板及其他：横梁水平裂缝、斜向裂缝，梁底纵向裂缝、腹板竖向裂缝及斜向裂缝，及混凝土局部破损露筋等。

索塔：塔冠钢板开焊、装饰玻璃缺失、塔柱混凝土胀裂、锈迹；横梁混凝土点锈、混凝土开裂、水蚀等。

2.2吊杆索力检测

采用频率法进行索力检测。恒载索力的测定将加速度计固定在吊杆上，测计人工激振和环境随机振动引起的吊杆横向振动响应，经频谱分析得到吊杆的多阶横向振动频率，然后用有限元法进行多频拟和分析，确定吊杆恒载索力[3]。

实测索力值与竣工索力值之比范围在0.94～1.38之间，1#主缆13#吊杆为0.94，1#主缆14#吊杆为1.38。两侧吊杆所测总索力值相差较小（0.06%）。

2.3主缆线形检测

采用全站仪测量各吊杆上端柱销中心坐标，加上索夹高度，即为主缆中心高程，全桥共设98个测点，每个测点布设在各根吊杆上端柱销中心处。

2#主缆测点实测高程与设计高程之差最大为0.052m，在28#吊杆位置；1#主缆测点实测高程与设计高程之差最大为0.073m，在37#吊杆位置；2#主缆测点实测高程与1#主缆测点实测高程之差最大为0.036m，在37#吊杆位置。主缆线形整体趋势较设计线形未发生明显变化。

2.4主桥桥面高程检测

主桥共设测量控制断面53个，分别位于主缆两侧锚碇处（主桥伸缩缝）、桥塔和49根吊杆处。每个控制断面上、下行侧慢车道各设置1个观测点，共计106个测点。

左幅桥面实测高程与设计高程之差最大为0.1150m，在30#吊杆位置；右幅桥面实测高程与设计高程之差最大为0.1102m，在31#吊杆位置；左幅桥面实测高程与右幅桥面实测高程之差不大（最大为0.0188m）。

2.5主桥自振频率检测

借助智能采集分析系统进行桥梁典型孔跨脉动试验，在桥面无任何交通荷载以及桥址附近无规则振源的情况下，测定桥跨结构由于桥址处风荷载、地脉动、水流等随机荷载激振而引起的桥跨结构微小振动响应。

表2.1自振频率测试结果一览表

3桥梁技术状况评估

3.1评估内容确定

根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/TJ21-2011）相关要求，选取主梁、主缆、吊杆作为技术状况评估对象。

3.3评估系数确定

根据桥梁数据实测结果，确定各检测指标的评定标度，桥梁主梁分项检算系数计算过程及结果见表3.1。

表3.1主梁检算系数

3.4评估结果

采用有限元分析软件ANSYS与MIDAS相结合的方式对结构进行计算，纵向整体受力计算采用平面杆系结构，主缆等构件线形采用实测坐标，全桥共分158个节点和209个单元。

⑴承载能力极限状态检算结果

①主缆检算结果

设计单根主缆由61股平行钢丝成品索（不带PE护套）编制而成，每股成品索由91Ф5.35的钢丝组成，标准强度σb=1670Mpa，单根主缆面积A=0.124724㎡。承载能力极限状态下主缆内力T最大值为73140.1kN，位于10#吊杆与南塔中间位置。承载能力检算系数=1.10，则

，满足规范要求。

②吊杆检算结果

设计单根吊杆采用121丝Ф7的成品钢丝索（带PE护套），标准强度σb=1670Mpa，单根吊杆面积A=0.004654㎡。承载能力极限状态下吊杆内力T最大值为3155.6kN，内力最大的吊杆位于中跨，编号为28#。承载能力检算系数=1.10，承载能力极限状态组合提高系数1.25，则

，满足规范要求。

③主梁检算结果

承载能力极限状态下主梁及主塔弯矩模型见图3.1。

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2004），对A类预应力混凝土构件，在作用（或荷载）短期效应组合下主梁最大正压应力21.6Mpa，无拉应力区，满足要求。主梁可归为全预应力混凝土构件。

②主梁刚度检算结果

由计算得短期荷载效应除去自重产生的最大挠度，乘以混凝土长期增长系数为：1.425=1.425×0.169=0.241m<180/600×1.1=0.33m，满足规范要求。

综上，主梁、主缆、吊杆等构件按承载能力极限状态检算时极限承载能力大于设计内力，预应力混凝土主梁正常使用阶段的应力、刚度满足规范要求。根据桥梁检测结果对理论计算的桥梁结构抗力进行修正后，桥梁实际承载能力均满足规范要求。

4结论

本文通过将外观缺陷与吊杆索力、主缆线形、桥面高程、自振频率及无损检测共七项实测参数相结合的方式，对自锚式悬索桥进行了技术状况评估。与常规结构检算采用设计值相比，本次评估中所用关键参数均为实测值，保证了评估结果与实际状况的一致性，该评估方法具有良好的推广应用空间。

参考文献

[1]武华成.大跨度预应力混凝土斜拉桥状态评估系统研究[D]杭州：浙江大学，2006.

[2]吴多.基于桥梁全寿命周期的损伤识别及状态评估研究[D]西安：长安大学，2017.

[3]何超群.旧桥承载能力评定与安全评估方法研究[D]西安：长安大学，2016.

[4]尤吉.公路桥梁承载能力评估目标可靠指标计算[J]世界桥梁.2013.