陳 麟

(中鐵五局集團(tuán)公司，貴陽 550002)

某梁拱組合體系吊桿內(nèi)力變化實測與分析

陳 麟

(中鐵五局集團(tuán)公司，貴陽 550002)

某梁拱組合橋在開通運營的3年時間內(nèi)即發(fā)現(xiàn)吊桿索力偏離設(shè)計索力較大，且主梁不同部位伴有裂紋產(chǎn)生的現(xiàn)象。在橋梁現(xiàn)狀檢查和分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合第三方數(shù)次對橋梁進(jìn)行檢查測試的情況，對吊桿內(nèi)力及其時程變化進(jìn)行理論分析，并與實測吊桿內(nèi)力進(jìn)行比較，進(jìn)而對類似橋梁的分段施工和運營維護(hù)提出合理的參考建議。

公路橋;梁拱組合體系;吊桿內(nèi)力;實測與分析

1 概述

該梁拱組合體系的跨徑布置為(50+95+50)m，主橋長195 m。主梁采用單箱5室直腹板箱形截面，橋面寬38 m，箱體寬度26 m，支點處梁高4.2 m，跨中梁高2.1 m，梁底按二次拋物線變化;鋼箱拱軸線形為二次拋物線，矢跨比1/4.75，跨中處拱中心線距橋面高17.172 m，拱肋截面3.1 m×1.8 m，壁厚22 mm，拱座處加厚至26 mm，沿鋼箱拱縱向每2 m設(shè)1道橫隔板;吊桿采用φ7 mm、標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 670 MPa的高強(qiáng)鋼絲成品索，錨具采用7-61球鉸改進(jìn)型冷鑄吊桿錨，在主拱腳處設(shè)置流線形鋼副拱以增強(qiáng)景觀效果。橋梁結(jié)構(gòu)具有“剛性梁柔性拱”的特點，見圖1，圖2。

圖1 主橋立面(單位:cm)

2 施工過程及現(xiàn)狀

2.1 主要施工程序

圖2 主梁截面(單位:cm)

由于兩岸邊跨均位于交通密集區(qū)，掛籃凈空受限且施工期間不得中斷既有道路運輸。故該橋采用不對稱懸臂澆筑法進(jìn)行施工，即邊跨側(cè)主梁采用分段支架現(xiàn)澆而中跨采用懸臂法施工。從圖2可知，主梁箱體寬度26 m，兩側(cè)為2×6 m的大懸臂翼緣，使截面頂寬達(dá)38 m，施工時采用6主桁棱形掛籃超前澆筑箱體，兩側(cè)設(shè)橫向掛籃隨后施工大懸臂翼緣的“品”字形推進(jìn)方式，使該橋的懸臂施工具有自身的特點，其主要施工程序簡要介紹如下。

主要施工順序:

第一步，在主墩旁及兩岸搭設(shè)第1、2現(xiàn)澆段及0號塊支架，施工岸旁第1現(xiàn)澆段及0號塊;

圖3 各主要施工階段照片

第二步，施工0號塊上混凝土拱座并安裝拱腳段鋼箱，中跨懸臂施工1，2號塊;

第三步，邊跨第1合龍段施工;

第四步，施工3號塊后，落后2～3節(jié)段用橫向掛籃澆筑主梁大懸臂翼緣，形成“品”字形推進(jìn)，澆筑邊跨第2現(xiàn)澆段;

第五步，拆除邊跨第1現(xiàn)澆段支架，搭設(shè)第3現(xiàn)澆段支架并施工該現(xiàn)澆段，中跨懸臂施工4～7號塊;

第六步，施工邊跨第二后澆段，拆除第2、3現(xiàn)澆段支架;

第七步，中跨懸臂施工8～10號塊，中跨合龍并完成主梁體系轉(zhuǎn)換;

第八步，支架安裝拱肋鋼箱，安裝吊桿;

第九步，完成橋面系等永久荷載的施工。

各主要施工階段照片見圖3。

2.2 橋梁現(xiàn)狀

2011年1月橋梁健康檢查情況。

主梁裂紋共1 378條，均為未貫通裂紋，累計長度1 236 m，其中寬度≥0.15 mm的裂縫共計506條，長度507 m，這些裂縫主要集中在箱梁的頂板、腹板、橫隔板、邊箱翼緣加勁肋板上。底板僅發(fā)現(xiàn)2條裂縫，中墩發(fā)現(xiàn)2條裂縫。

盆式橡膠支座螺栓有銹蝕現(xiàn)象。

副拱與箱梁結(jié)合處箱梁外表面積水，箱梁內(nèi)亦有滲水現(xiàn)象。

伸縮縫齒板被黃泥堵塞，且齒板間距過大。

主梁混凝土強(qiáng)度推定值48.8 MPa。

主梁混凝土碳化深度、鋼筋保護(hù)層厚度、鋼筋銹蝕情況、鋼拱肋涂層厚度及附著力均滿足規(guī)范要求。

箱體外的吊桿導(dǎo)索管普遍銹蝕，個別有缺失。

吊桿內(nèi)力普遍較設(shè)計初始拉力大，實測吊桿在恒載和活載共同作用下最小安全系數(shù)2.32，小于規(guī)范≥2.5的要求。

主橋、拱肋線形平順，橋面鋪裝完好，荷載試驗沖擊系數(shù)小于計算值。

按實際吊桿內(nèi)力分布并考慮橋梁現(xiàn)狀進(jìn)行檢算后，主梁在各效應(yīng)組合下的承載能力均滿足規(guī)范要求。

3 結(jié)構(gòu)狀態(tài)分析與實測對比

3.1 結(jié)構(gòu)建模(圖4)

3.1.1 單元劃分及邊界條件

根據(jù)橋梁設(shè)計圖紙及施工組織計劃將主橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行如下劃分:

主梁按支點位置、截面變化、橫隔板、節(jié)段長度及吊桿位置等要求劃分為101個梁單元;

鋼箱拱肋按制造和安裝要求劃分為32個梁單元;

吊桿按設(shè)計及安裝要求，計28個索單元;

正式支座按設(shè)計要求指定;

現(xiàn)澆支架按節(jié)點彈性支撐處理;

臨時支座及龍口約束鎖定均按設(shè)計要求指定。

圖4 結(jié)構(gòu)分析模型

3.1.2 荷載及施工周期

(1)主要荷載

結(jié)構(gòu)自重:混凝土考慮普通配筋及預(yù)應(yīng)力鋼索后按容重26 kN/m3計算，鋼材按容重78.5 kN/m3計算。

橋面鋪裝:按設(shè)計圖紙要求計算并按實際施工順序分步加載。

(2)施工周期

施工掛籃:每個重1 600 kN。

0號塊及邊跨第1現(xiàn)澆段(含掛籃拼裝及預(yù)壓)46 d;1、2號塊各20 d;3號塊20 d，邊跨第2現(xiàn)澆段及后澆段25 d(含橫向大懸臂翼緣，但不含支架預(yù)壓);4～6號塊各20 d;7號塊20 d，邊跨第3現(xiàn)澆段及后澆段25 d(不含支架預(yù)壓);8～10號塊各20 d，中跨合龍段20 d(含后期鋼束張拉);鋼拱肋安裝10 d，吊桿安裝30 d;二期恒載施工20 d;吊桿調(diào)整10 d;收縮徐變10年。

3.2 吊桿狀態(tài)

3.2.1 現(xiàn)場吊桿實測情況

如表1所示，從測試時間上劃分，主橋共計進(jìn)行過4次實測，其中第1次為竣工時的測量值，第2～4次為第三方的測量值。在吊桿力的測試手段上，第2、3次僅采用頻率法;第4次則采用頻率法和張拉法相互校核，且2種方法所測結(jié)果誤差平均約為5%，故具有一定的準(zhǔn)確性。

表1 歷次吊桿內(nèi)力測試 kN

從圖5可知，2008年2月竣工時吊桿的內(nèi)力測試結(jié)果與設(shè)計初張力基本符合;交付運營約2年后，2009年12月測試結(jié)果分別為設(shè)計初張力的1.48～1.97倍;2010年3月測試結(jié)果分別為設(shè)計初張力的1.5～1.93倍;2011年1月測試結(jié)果分別為設(shè)計初張力的0.71～1.78倍。

3.2.2 吊桿內(nèi)力分析

由于結(jié)構(gòu)體系中有索單元，故在分段施工分析中按非線性(小位移)累加模型進(jìn)行分析，以便既考慮索單元的幾何非線性又考慮混凝土主梁的徐變收縮特性。而吊桿初拉力荷載則按“體外，替換”方式處理，以便符合現(xiàn)場“安裝吊桿力”和“調(diào)整吊桿力”分次張拉的實際情況。

圖5 歷次吊桿內(nèi)力測試

(1)按設(shè)計初張力計算

圖6為按設(shè)計初張力進(jìn)行分析后得出的各階段吊桿內(nèi)力情況，由于對稱關(guān)系，圖中僅列出了1～7號吊桿的情況，吊桿的恒載內(nèi)力在853～992 kN。

圖6 設(shè)計初張力條件下各階段吊桿內(nèi)力

(2)吊桿內(nèi)力時程

圖7給出了1～7號吊桿在各工(含測試)階段的內(nèi)力變化時程。

圖7 吊桿內(nèi)力時程

以上計算均按照設(shè)計施工方案進(jìn)行，其中“吊桿安裝”時各吊桿初次張力按130 kN分批對稱進(jìn)行張拉，在“吊桿調(diào)整”階段，則分別張拉至設(shè)計初張力。

3.2.3 吊桿內(nèi)力實測與理論計算對比

吊桿安裝時所施加的初始拉力僅代表吊桿張拉那一刻的吊桿受力情況，此后索單元的初拉力由“體外力”轉(zhuǎn)為“體內(nèi)力”，其值將會隨著結(jié)構(gòu)的變化而發(fā)生改變。

表2給出了與2011年1月13日測試相應(yīng)時刻理論計算與實測結(jié)果的對比情況，其實測值較計算值的增幅在-32.4% ～+64.6%之間，平均為+37.1%。從中可以得出:無論何種原因所致，吊桿內(nèi)力確實較理論分析值增大的結(jié)論。

表2 2011年1月13日實測吊桿內(nèi)力與理論計算值對比

4 主要原因分析

經(jīng)綜合分析，特別是從第4次檢測吊桿內(nèi)力的情況來看，是在封鎖交通后的恒載情況下測出的結(jié)果，與計算恒載吊桿內(nèi)力有可比性。所以，吊桿內(nèi)力增大主要應(yīng)是結(jié)構(gòu)恒載較設(shè)計偏大以及主梁徐變收縮所致，其可能原因簡要分析如下。

4.1 施工方面

4.1.1 施工誤差

分段施工的橋梁結(jié)構(gòu)誤差大體上來自于:施工荷載變化，結(jié)構(gòu)性能差異，量測手段，環(huán)境影響和計算模型失真。

(1)主梁混凝土施工的誤差貫穿于前3個方面，主要表現(xiàn)在混凝土容重及彈性模量、模板安裝、施工活載的集度和位置、預(yù)應(yīng)力和索力張拉、混凝土的收縮徐變等，而這些誤差具有一定的離散性和不確定性。如混凝土容重隨著粗細(xì)集料的品質(zhì)、級配和配比而變化，這些將引起結(jié)構(gòu)重力及其集度的變化;而模板安裝誤差及其支撐體系的剛度所引起的截面尺寸改變從而導(dǎo)致截面特性變化等，都會使實際結(jié)構(gòu)狀態(tài)偏離設(shè)計目標(biāo)。

就本橋來說，中跨主梁在起著主要承載作用的同時，也作為系桿拱的水平系桿使用，因而主梁狀態(tài)的變化無疑將導(dǎo)致拱肋和吊桿狀態(tài)發(fā)生變化。

(2)預(yù)應(yīng)力及索力的誤差:由于張拉機(jī)具、測量(壓力和伸長量)工具、錨固設(shè)備、管道摩阻、鋼束(或鋼索)模量的誤差。

(3)收縮徐變誤差:收縮和徐變模式、環(huán)境溫濕度以及構(gòu)件內(nèi)外周界與大氣接觸程度、混凝土品質(zhì)及其加載齡期等。

(4)測量誤差:水平儀、全站儀、鋼尺、傳感器、材料試驗機(jī)和壓力機(jī)、壓力表、頻率計、電橋等量測設(shè)備的誤差。如表1所示，相同吊桿力在3次健康檢查中，其互差就在-12.8%～+56.5%范圍變化，而這段時間內(nèi)由于收縮徐變而引起吊桿內(nèi)力的增幅經(jīng)計算大約在1.1% ～2.2%，平均約為1.8%，說明頻率法和張拉法測量吊桿內(nèi)力時，由于種種因素影響，其結(jié)果有很大的差異。

4.1.2 施工不當(dāng)

(1)箱梁內(nèi)部個別細(xì)微構(gòu)造如張拉齒塊、小孔洞、下肋板等部位的模板設(shè)計偏弱，甚至采用固定并不十分牢固的組合模板，造成混凝土澆筑過程中這些部位模板的脹?；蛞莆?，從而改變了截面的尺寸和質(zhì)量。

(2)中跨懸臂澆筑時，最后一斗混凝土余下部分既不能扔入河中也不能回收利用，幾乎是就地攤鋪到頂板或底板內(nèi)，從而增加節(jié)段質(zhì)量和尺寸，這種情況在類似分段施工中較為常見。雖然可以在分段施工中通過監(jiān)控(調(diào)整節(jié)段立模高程)來解決主梁空間線形，但這類增加的恒載對結(jié)構(gòu)內(nèi)力所造成的影響卻遺留了下來。

(3)混凝土的拆模和養(yǎng)護(hù)，這方面的問題主要容易造成構(gòu)件的局部破損和溫度裂紋。

4.2 運營與維護(hù)

4.2.1 運營管理

在橋梁使用過程中，確保活載始終處于設(shè)計活載等級范圍，是橋梁達(dá)到設(shè)計使用壽命的基本要求之一。由于眾所周知的原因，我國公路橋梁、包括城市橋梁普遍存在長期超負(fù)荷運營的情況，有的甚至造成橋梁坍塌的案例時有發(fā)生。

另一方面，城市橋梁建成后，在原設(shè)計以外增加各類附著式過橋管線的情況在國內(nèi)也較為常見，如供水管線等，其載荷量一般都能達(dá)到一定量級。

4.2.2 維修養(yǎng)護(hù)

據(jù)2009年3月?？凇?全國)橋梁安全耐久性、檢測與維修加固技術(shù)研討會議”披露的數(shù)據(jù)，至2007年底，全國公路在用橋梁約57萬座/2.32萬km，平均以1.5萬座/年的速度遞增?？梢哉f橋梁工程技術(shù)人員基本集中在橋梁建設(shè)方面，而運營維護(hù)的技術(shù)力量相對薄弱得多，這和早已過了建設(shè)高峰期的發(fā)達(dá)國家情況正好相反。

(1)重要構(gòu)件及部位的管、養(yǎng)

對于主梁、拱肋、吊桿、支座、伸縮縫等重要構(gòu)件和部位，既要有合理的檢查、評估程序和周期，同時日常的維修養(yǎng)護(hù)必不可少。

對外露的鋼構(gòu)件，由于長期暴露于大氣中，在腐蝕環(huán)境下，如支座、鋼箱拱、導(dǎo)索管、吊桿及其錨具等的銹蝕，伸縮縫齒板的堵塞或梁縫的頂死現(xiàn)象普遍存在。如梁縫、支座等部位不易被觀察到，其檢查維修難度較橋面欄桿大得多，所以定期更新防腐涂層、更換部件和及時清理堵塞物的實際維修工作更是重中之重。

(2)檢測手段

對于吊桿的檢測，目前應(yīng)用較多的是“頻率法”。對于均質(zhì)柔性索來說，其索力一般理論解析公式為

當(dāng) EI/l2→0且取基頻 n=1時，公式簡化為:T=4ρl2f2。式中除基頻f為實測值外，其余為索的幾何物理參數(shù)。就本橋來說，最短吊桿長度7.761 m，其外露自由長度2.916 m;最長吊桿長度19.223 m，其外露自由長度16.322 m。而埋入部分對于吊桿自由振動的約束阻尼情況還無法準(zhǔn)確測試，特別是橋面導(dǎo)索管及其防護(hù)罩由于種種因素如銹穿、破損或松脫后導(dǎo)致管內(nèi)沉積雜物，從而對管內(nèi)吊索振動形成阻尼干擾時，式中吊桿的計算長度的取值則成了關(guān)鍵。以最短吊桿為例，在基頻相等、計算長度分別為7.761 m和2.916 m時，吊桿力要相差(7.761/2.916)2≈7.1倍;同理，最長吊桿力也會相差(19.223/16.322)2≈1.4倍!這當(dāng)然是極端的情況。

對于張拉法來說，只要在張拉過程能準(zhǔn)確檢測到錨具與墊板松動那一時刻的張力，就能較準(zhǔn)確地確定吊桿的內(nèi)力，不過其準(zhǔn)確程度仍然受到量測精準(zhǔn)度的制約。

由于拉索的破斷多為重復(fù)荷載擾動下應(yīng)力熱點處的疲勞裂紋萌生、發(fā)展所致，這些損傷裂紋有的可見，有的不可見，受檢測手段所限有的還檢測不到，至今尚無充分的試驗研究來確定其機(jī)理。因此，目前國內(nèi)對于這類索吊結(jié)構(gòu)的公路橋梁基本上采取“兩年一檢，十年一換”的方式，實為無奈之舉。

5 建議

5.1 施工過程

(1)除橋梁線形的施工監(jiān)測外，不應(yīng)忽略過程中混凝土密度及其彈性模量的監(jiān)測;

(2)注重主梁內(nèi)模板的優(yōu)化設(shè)計和實施;

(3)確?；炷良虞d齡期、養(yǎng)護(hù)達(dá)到規(guī)范及設(shè)計要求;

(4)在施工組織方案中明確施工活載的停放和布置計劃并反映到監(jiān)控程序中，在實施過程中嚴(yán)格按施工組織計劃執(zhí)行。

5.2 運營和維護(hù)

(1)由于過大的應(yīng)力幅是疲勞破壞的主要因素，須嚴(yán)格限制超重、超限車輛通行;

(2)對橋梁存在的病害和缺損及時進(jìn)行整治;

(3)加強(qiáng)對支座、伸縮縫等部位的日常巡查、清理和養(yǎng)護(hù);

(4)定期進(jìn)行吊桿內(nèi)力檢測，并盡可能用頻率法和張拉法相互校核。特別要注意對吊桿防護(hù)罩、錨頭、墊板、導(dǎo)索管外露部分等容易受到腐蝕侵蝕或應(yīng)力集中的部位進(jìn)行周期性檢查和維護(hù)，以防應(yīng)力集中損壞或疲勞應(yīng)力侵蝕下的突發(fā)斷裂。

(5)確認(rèn)吊桿內(nèi)力實為結(jié)構(gòu)恒載偏大所致時，可以在重新計算分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)索或換索處理。

［1］ 中華人民共和國交通部.JTG D60—2004 公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［2］ 中華人民共和國交通部.JTG D62—2004 公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［3］ 中華人民共和國交通部.JTG/T D65—01—2007 公路斜拉橋設(shè)計細(xì)則［S］.北京:人民交通出版社，2007.

［4］ 朱衛(wèi)國.梁拱組合體系橋梁分析及其試驗研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2003.

［5］ 金成棣.預(yù)應(yīng)力混凝土梁拱組合體系設(shè)計研究與實踐［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［6］ 唐智波.應(yīng)力腐蝕耦合作用下的斷裂力學(xué)問題［M］.杭州:浙江大學(xué)出版社，2007.

［7］ 中鐵大橋(南京)橋隧診治有限公司.某大橋主橋檢測試驗技術(shù)報告［R］.南京:中鐵大橋(南京)橋隧診治有限公司，2011.

Actual Measurement and Analysis on Internal Force Variation of Suspender in a Beam-Arch Combination System

CHEN Lin
(China Railway NO.5 Engineering Group Co.，Ltd.，Guiyang 550002，China)

A beam-arch combination bridge has been put into operation for three years，and in the meantime，the cracks were found in different parts of the main beam，and the values of internal forces of the suspender had deviated from the design values.In this article，based on the checking and analysis on the practical situation of this bridge structure，and combined with the cases of this bridge structure inspected and tested several times by the third party，the internal forces and time-history variations of the suspender are analyzed theoretically，and then the theoretical analysis results are compared with the actually measured internal forces of the suspenders，so as to provide a reasonable reference for the segmental construction and operation maintenance of the similar bridge.

highway bridge;beam-arch combination system;internal forces of suspender;actual measurement and analysis

U448.22+3

B

1004-2954(2013)04-0041-05

2012-08-03;

2012-08-26

陳 麟(1958—)，男，教授級高級工程師，1982年畢業(yè)于西南交通大學(xué)土木工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail:jkylin@163.com。