鋪裝層重鋪對橋梁結構性能影響的分析與評估

榮垂強，盧明波

（1.廣東開放大學工程技術學院，廣東 廣州 510091；2.汕頭公路工程質量監督站，廣東 汕頭 515041）

0 引言

隨著時間的推移、交通量的增加和重載車輛比例的提高，我國越來越多的橋梁出現各種形式的損傷和破壞，定期對營運期橋梁進行全面的檢測進而評定其狀態是橋梁管養的重要組成部分和制定維修計劃的重要依據。斜拉橋是我國大跨度橋梁的常見結構形式，對其運營期檢測，研究人員和工程師們開展了相關研究工作，取得了一定的成果［1-6］，但基于橋面鋪裝層的改變討論橋梁整體狀態影響的報道較少，本文以國內某大型斜拉橋為實例，從鋪裝層翻修的角度，通過對其翻修前后索力、線形及自振頻率測試結果的對比和分析，探討了鋪裝層重鋪對橋梁結構性能的影響。

1 橋梁概況

國內某大橋為正交異性板加勁鋼箱梁與 PC 混凝土箱梁混合結構斜拉橋，大橋主橋為雙塔雙索面斜拉，主橋長為 900 多 m，其中，鋼箱梁總長 718 m，主跨 518 m（見圖 1），橋面全寬 30.35 m。斜拉橋主塔為鋼筋混凝土鉆石型結構（見圖 2），每一索面各有 20 對斜拉索，索面略向內傾，最靠近索塔的一對斜索距塔的中心線 24 m。中孔及邊孔鋼箱梁的索距為 12 m，無索區長 14 m；預應力混凝土箱梁段的索距為 7 m；鋼箱梁與預應力混凝土箱梁結合的索距為 9 m。

圖1 橋梁立面示意圖

該橋面原鋪裝雙層的 SMA 瀝青混凝土結構，整橋鋪滿（包含人行道），厚度 8 cm。由于破壞，重鋪鋪裝層，新鋪裝層采用下層澆筑式瀝青混凝土 GA10＋上層 SMA10 結構，總厚度 7 cm，且索區內僅鋪澆筑式瀝青混凝土 GA10，人行道則完全不進行鋪裝，僅做油漆防腐。由于新鋪裝層與原鋪裝層之間存在鋪筑面積、厚度及重量等差異，為確認此次橋面鋪裝大修前后，橋梁結構狀態的變化情況，進行了如下檢測。

1）索力測試。掌握索的受力狀態。

2）線形測試。用于衡量橋梁是否發生偏移，是否處于正常受力狀態。

3）主橋振動測試，通過橋梁結構的振動模態反映其整體工作狀態。

2 索力測試

2.1 測試目的

斜拉索索力是衡量斜拉橋是否正常運營的重要參數，通過索力測試，不僅能反應索體的受力與其是否損傷，同時也可以在一定程度上反映拉索的錨固狀態及為其提供的錨固的梁體和主塔之間是否產生相對位置變化，故而該參數可以反映大橋的整體性能。

2.2 測試原理

拉索的索力測量常常采用振動法，其基本原理是假定拉索為兩端鉸支張緊的弦，先測試其固有頻率，通過頻率與張力的關系式推算張力。由于對拉索的固有頻率有影響的參數不僅有拉索張力，拉索撓曲剛度、垂跨比以及索體整體傾角對其亦有影響，因此，在通過振動頻譜法推算拉索張力時，本文采用了公式（1）進行計算。而且，為減小橋上汽車荷載對索力測試的影響，振動信號采集時，須盡量避免有重型車輛通過。

式中：T 為拉索的張力，N；m 為單拉索位長度的質量，kg/m；l 為拉索的長度，m；f 為拉索的基頻。

2.3 索力測試結果

圖 2 與 圖 3 分別為翻修前（雙層 SMA 結構）與翻修后（澆筑式瀝青混凝土 GA10+SMA 結構）上游與下游實測索力圖，由圖 2 與圖 3 所知，上游與下游成對的索，他們的索力相近。圖 4 是鋪裝翻修后索力相比翻修前降低百分比圖，圖 4 顯示，翻修后，上下游斜拉索受力均為降低，但是降低幅度較小，大部分幅度在 5 % 以內。首先，可以推斷返修后各斜拉索受力基本正常，而且，雖然新鋪裝 GA10＋SMA10 厚 7 cm，且索區僅鋪 GA10，人行道不進行鋪裝，而原雙層 SMA 鋪裝層厚度 8 cm 且全橋滿鋪，總體而言，鋪裝重量確實有所減輕，但整體不超過 5 %，減輕較小，這與澆筑式混凝土 GA10 中采用了密度更大的玄武巖有很大關系，因為它在很大程度上抵消了鋪裝面積變小，厚度變薄所帶來的重量降低。但是，上游 C18 索在鋪裝維修后，索力降低了 9.5 %，這與該索在鋪裝完成之后，檢測之前被過往的運輸車輛嚴重剮蹭受損有關。

圖2 上游側鋪裝翻修前后 c 1～c 20 實測索力對比圖

圖3 下游側鋪裝翻修前后 c 1～c 20 實測索力對比圖

圖4 翻修后索力相比翻修前降低百分比

3 線形測量

3.1 測量目的與內容

斜拉橋主塔軸向主要承受斜拉索拉力分解產生的豎向壓力，主梁承受恒活載引起的彎矩和拉索拉力分解后的水平向軸向力。當主塔和主梁的實際位置偏離設計允許值時，二次附加彎矩將使得主塔、主梁進一步地偏位。所以，主塔、主梁的線形測量結果是評估橋梁工作狀態的重要依據。

3.2 主塔測量結果

對主塔塔頂、中橫梁及承臺中，施工坐標已知且位置開闊、無遮擋的點進行觀測，點位布置如圖 5 所示，順橋向定為 X 軸方向，與之垂直的方向定為 Y 軸方向，高度方向定為 Z 軸方向，各個測點重鋪前后的測量差值如表 1 所示。

圖5 北主塔測點位置布置圖

表1 主塔塔頂、中橫梁及承臺測點在各個方向的位移偏移量

表 1 說明，鋪裝層翻修前后，實測主塔塔頂、中橫梁及承臺的偏位與沉降的變化均在±3 mm 之內，且正負分布隨機，考慮到儀器測試精度誤差及測試中一些偶然因素，說明主塔的偏移變化不大，可以完全忽略。

此外，該橋還進行了主梁線形觀測，分別在上、下游側測試 2 條線形，共 168 個測點，觀測結果顯示翻修后北邊跨實測主橋上縱坡為 3.01 %，南邊跨實測主橋上縱坡為 3.02 %。翻修前后測試縱坡無變化并與設計縱坡 3.0 % 基本一致。

4 結構整體模態振型與頻率測試

橋梁的自振頻率是其固有特性，若橋梁低階的振動頻率降低，則說明橋梁的整體剛度可能在減小，當發現橋梁高階的局部振型的頻率有明顯變化，則說明橋梁可能受到局部的損傷導致其局部剛度的減小，主橋面的振動可視為由大跨度主橋的整體低頻振動和短跨梁較高頻率的局部振動的合成結果，后者是由于每一梁段均有兩條斜拉索作為彈性支撐點而產生的，該橋自振特性測試試驗的采樣參數設置為：低通截止頻率 10 Hz，采樣頻率 50 Hz，頻率分辨率為 0.012 2 Hz。

通過結構各振動測點的能量自譜及互功率譜，分析得出結構各測點位置的振動頻率及各頻率點上的相位關系。結構各階振型對應的自振頻率翻修前后的實測值如表 2 所示。表 2 顯示，翻修前后，各基階頻率測值基本一致，表明重鋪前后，結構的整體剛度和約束（支撐）體系未出現較為明顯的變化。

表2 實測結構自振特性參數匯總表

5 結論

國內某大橋采用下層澆筑式瀝青混凝土 GA10＋上層 SMA10 鋪裝結構替代原來的雙層SMA鋪裝形式，雖然新的鋪裝層面積更小整體厚度更薄，但由于其所采用的澆筑式瀝青混凝土 GA10 使用了密度更大的玄武巖，重鋪后，該橋整體索力降低值僅在 5 % 之內。而且，重鋪之后，主塔塔頂、中橫梁及承臺測點在各個方向未見明顯偏移，主橋線形無變化，主橋各基階頻率測值基本一致，上述結果顯示重鋪前后，該橋梁結構的整體剛度和約束（支撐）體系未出現較為明顯的變化。這說明了當新舊鋪裝層均為柔性鋪裝且整體重量接近時，橋梁的結構狀態受影響較小。