吊桿拱橋的承載能力評定與分析

摘要 針對吊桿拱橋在實際運營中暴露的銹蝕、斷絲等病害，嚴重時導致索體斷裂，易引起橋梁坍塌事故，文章以攀枝花市倮果金沙江大橋為背景，介紹了吊桿拱橋的技術狀況評定及承載能力評定，根據橋梁表觀缺損、材質狀況、狀態(tài)參數、橋梁基頻、焊縫無損等的檢測結果，采用有限元軟件進行了結構計算分析，評定了橋梁現(xiàn)狀，為后期養(yǎng)護決策提供依據。

關鍵詞 公路吊桿拱橋；檢測；承載能力評定

中圖分類號 U446 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）17-0116-03

0 引言

吊桿拱橋作為一種新型的橋梁形式，具有多種優(yōu)點，如強度高、塑性好、荷載傳遞效果好、施工便捷、美觀等。我國中下承式吊桿拱橋的建設起步較晚。吊桿作為中下承式拱橋的主要受力部件，其受力情況如何，不僅在設計階段需要考慮，同時在使用過程中也要進行檢測。現(xiàn)階段，這些橋梁吊桿、系桿以及其他方面的病害開始逐漸暴露，如吊桿鋼絞線出現(xiàn)銹蝕、錨頭鋼絞線出現(xiàn)內縮、滑移現(xiàn)象等，橋梁的耐久性能和承載能力會隨之降低。為了解橋梁的工作性能，需對其承載能力進行檢測與質量評定，以保證其安全運營。

1 項目概況

攀枝花倮果金沙江大橋位于攀枝花市東區(qū)銀江鎮(zhèn)倮果境內，橫跨金沙江，是連接S310線、G227線、渡金線的重要通道，具體位于張掖至孟連K2594+280處，路線編號為G227，橋梁于1995年10月建成通車。橋梁全長208 m，縱向布置為3×8 m（預應力混凝土空心板）+1×160 m（中承式勁性骨架鋼筋混凝土箱形肋拱橋）+2×8 m（預應力混凝土空心板）。主橋橋面總寬18.0m，橫向布置為3 m（人行道）+12 m（行車道）+3 m（人行道）；兩側引橋橋面總寬15 m，橫向布置為1.5 m（人行道）+12 m（行車道）+1.5 m（人行道）。橋梁設計荷載為汽車-超20級，掛車-120。

上部結構：主橋為1×160 m的中承式勁性骨架鋼筋混凝土箱形肋拱橋；北岸引橋為3×8 m的預應力混凝土簡支梁橋；南岸引橋為2×8 m的預應力混凝土簡支梁橋。

下部結構：橋臺為重力式橋臺，擴大基礎；橋墩為樁柱式橋墩，樁基礎。

橋面系：橋面采用水泥混凝土鋪裝，兩側分別設置人行道和鋼管欄桿，全橋共設置4道伸縮縫。

2 檢查內容

檢查內容具體包括：外觀病害檢測（上部結構、下部結構、橋面系）、材質狀況檢測（混凝土強度、鋼筋保護層厚度、混凝土碳化深度、鋼筋銹蝕狀況、鋼筋銹蝕電位差、焊縫超聲法檢測）、狀態(tài)參數檢測（拱腹線形檢測、橋面高程測量、自振頻率、吊桿索力）、結構承載能力檢算等[1]。

3 檢查結果

3.1 表觀缺損狀況

（1）北岸引橋表觀缺損見表1所示：

（2）南岸引橋表觀缺損見表2所示：

3.2 材質狀況檢測結果

該文對倮果金沙江大橋主要承重構件的混凝土強度、鋼筋保護層厚度、混凝土碳化深度以及混凝土電阻率狀況進行了檢測。

測試結果表明：受檢構件的混凝土強度狀況良好；橋面板、橫梁和鋼筋保護層厚度對結構耐久性的影響不顯著，拱肋保護層厚度特征值為45.5 mm，但拱肋由于無設計值無法對其進行判定；混凝土碳化對鋼筋銹蝕的影響不顯著；混凝土中鋼筋可能銹蝕的速率很慢；混凝土中鋼筋無銹蝕活動性，但銹蝕活動性不確定，可能坑蝕；并在現(xiàn)場對倮果金沙江大橋1#、2#縱梁共計5條橫向對接焊縫（共計1.5 m），進行了超聲法無損檢測，結果均滿足規(guī)范要求，合格率為100%[2]。

3.3 狀態(tài)參數檢測結果

（1）拱腹線形檢測

拱肋線形總體平順，未見異常情況，兩側拱肋最大相對高差在拱頂位置，為6.5 cm。

（2）橋面線形檢測

倮果金沙江大橋上下游兩側的橋面線形，總體較順適平滑且基本吻合，但局部存在一定的高差現(xiàn)象。倮果金沙江大橋大北岸側存在雙向縱坡，下游側線形整體略高于上游側，兩側高差為?0.011 32～0.026 17 m。但在主跨的跨中附近，下游側線形略低于上游側，跨中測點位置的下游側高程略低于上游側約0.007 09 m。

（3）自振頻率測試

實測前二階頻率值分別為1.191 Hz、1.982 Hz，大于理論基頻0.975 Hz、1.368 Hz，與理論計算自振頻率的比值為1.122～1.449，表明結構實際剛度大于計算剛度，自振頻率評定標度為1[3]。

（4）伸縮縫上槽口寬度測量

倮果金沙江大橋每道伸縮縫兩側及中間縫寬均不一致，且與設計寬度（50 mm）存在較大差異（?41～25 mm），因此伸縮縫寬度存在異常，建議加強伸縮縫縫寬變化情況的觀測[4]。

（5）吊桿拉力測試

1）倮果金沙江大橋吊桿拉力橫向對稱性整體較好，除3-1#及3-2#吊桿外，左右側實測的吊桿拉力偏差為?6.2%～7.0%；3-1#及3-2#吊桿左右側偏差較大（?10.6%～?14.5%），可能是吊桿較短所致。

2）倮果金沙江大橋吊桿拉力與理論索力偏差為?2.7%～39.8%，索力最大偏差較大，均為相對較短的吊桿（3-1#偏差最大為16.1%、3-2#偏差最大為38.0%、10-1#偏差最大為24.6%、11-1#偏差最大為39.8%），可能是吊桿較短所致[5]。

（6）吊桿錨頭檢測

共發(fā)現(xiàn)4處錨頭密封圈缺失，分別為Z-1-1#上錨頭、Z-4-1#上錨頭、Y-7-2#上錨頭、Y-13-2#上錨頭

3.4 技術狀況評定結果

依據《公路橋梁技術狀況評定標準》（JTG/T H21—2011）中第4.1.5～4.1.8章節(jié)相關規(guī)定，經綜合分析，倮果金沙江大橋橋梁的技術狀況評分為85.61，評定為2類；橋梁處于較好狀態(tài)，有輕微缺損，但對橋梁使用功能無影響。

3.5 承載能力檢算結果

對倮果金沙江大橋結構進行檢算時，根據上述檢測結果，結合橋梁自身特點，采用Midas Civil（2021版）軟件對橋梁結構離散建立如圖1所示的有限元檢算模型，進行結構檢算分析。

根據《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTJ 021—89）、《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTJ 023—85）、《公路磚石及混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTJ 022—85）及《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）相關規(guī)定，該橋拱肋、橋面板、橫梁及吊桿按極限狀態(tài)的檢算原則：荷載效應不利組合的計算值小于或等于抗力效應的計算值，即：

γ0S≤R（fd，ξcad）Z1 （1）

根據上述規(guī)范規(guī)定，該文進行如下三種荷載組合：

組合Ⅰ：恒載（SG）＋汽車（SQ）；

組合Ⅱ：恒載（SG）＋汽車（SQ）+溫度（SW）；

組合Ⅲ：恒載（SG）＋掛車（SG）。

3.5.1 拱肋承載能力檢算結果

按照《公路磚石及混凝土橋涵設計規(guī)范》規(guī)定進行結構檢算，在“汽車-超20級，掛車-120，人群3.5 kN/m2”荷載作用下，拱肋各個最不利控制截面荷載效應的不利組合理論值均小于抗力效應的理論值，且偏心距均在允許范圍內；在“汽車-超20級，掛車-120，人群3.5 kN/m2”荷載作用下，拱肋拱腳正截面的直接受剪強度檢算滿足規(guī)范要求；在“汽車-超20級，掛車-120，人群3.5k N/m2”荷載作用下，拱肋整體的“強度-穩(wěn)定”承載能力滿足要求，具體結果分別見表4、表5所示：

3.5.2 橋面板承載能力檢算結果

橋面板在“汽車-超20級，掛車-120，人群3.5 kN/m2”荷載作用下的抗彎檢算結果、支點附近抗剪結果，均滿足規(guī)范要求[6]。

3.5.3 橫梁承載能力檢算結果

橫梁在“汽車-超20級，掛車-120，人群3.5 kN/m2”荷載作用下的抗彎檢算結果、支點附近抗剪結果，均滿足規(guī)范要求[7]。

3.5.4 吊桿承載能力檢算結果

根據收集到的相關圖紙信息，吊桿結構信息齊全，按照《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》中拉吊索承載能力的檢算原則進行檢算，吊桿上端采用85φ7、1670 MPa的高強鍍鋅鋼絲束。在“汽車-超20級，掛車-120，人群3.5 kN/m2”荷載作用下，其吊桿承載能力的檢算結果滿足規(guī)范要求，具體結果見表6所示：

通過對倮果金沙江大橋拱肋、橋面板、橫梁及吊桿結構進行承載能力檢算，結果表明該橋在“汽車-超20級，掛車-120，人群3.5 kN/m2”荷載作用下的承載能力均滿足規(guī)范要求。

4 結語

綜上所述，攀枝花倮果金沙江大橋在運營一段時間后出現(xiàn)一些病害，結合該橋表觀缺損狀況、材質狀況、狀態(tài)參數，進行建模分析，結果表明該橋拱肋、橋面板、橫梁及吊桿結構在“汽車-超20級，掛車-120，人群3.5 kN/m2”荷載作用下的承載能力均滿足規(guī)范要求，后期養(yǎng)護按照《公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范》（JTG 5120—2021）對該橋進行定期檢查和日常維護，以便發(fā)現(xiàn)情況及時進行處理。

參考文獻

[1]張斌，謝瑜軒，周青松，等.中下承式拱橋吊桿病害分析與更換施工監(jiān)控方法研究[J].市政技術，2024（1）：80-85+123.

[2]盧舒舒，陳道富，黃漢輝，等.吊桿索力偏差對鋼箱拱梁組合橋拱肋受力性能的影響[J].武夷學院學報，2023（12）：64-74.

[3]金成棣，趙天麟.組合式系桿拱橋面內外穩(wěn)定性分析[J].上海公路，2021（4）：40-44+50+142.

[4]郝佳佳.新型吊桿布置系桿拱橋結構受力分析[J].城市道橋與防洪，2023（10）：75-78+17.

[5]張宗山.系桿拱橋結構受力分析[J].中國水運，2021（12）：151-153.

[6]李曉輝.異形系桿拱橋吊桿索力檢測及吊桿斷裂模擬研究[J].湖南交通科技，2023（3）：160-164.

[7]李鑫，李斯涵，位東升，等.中承式拱橋吊桿專項檢測及可靠性分析[J].建材技術與應用，2022（5）：40-44.