某梁拱组合体系吊杆内力变化实测与分析

陈 麟

(中铁五局集团公司，贵阳 550002)

某梁拱组合体系吊杆内力变化实测与分析

陈 麟

(中铁五局集团公司，贵阳 550002)

某梁拱组合桥在开通运营的3年时间内即发现吊杆索力偏离设计索力较大，且主梁不同部位伴有裂纹产生的现象。在桥梁现状检查和分析的基础上，结合第三方数次对桥梁进行检查测试的情况，对吊杆内力及其时程变化进行理论分析，并与实测吊杆内力进行比较，进而对类似桥梁的分段施工和运营维护提出合理的参考建议。

公路桥;梁拱组合体系;吊杆内力;实测与分析

1 概述

该梁拱组合体系的跨径布置为(50+95+50)m，主桥长195 m。主梁采用单箱5室直腹板箱形截面，桥面宽38 m，箱体宽度26 m，支点处梁高4.2 m，跨中梁高2.1 m，梁底按二次抛物线变化;钢箱拱轴线形为二次抛物线，矢跨比1/4.75，跨中处拱中心线距桥面高17.172 m，拱肋截面3.1 m×1.8 m，壁厚22 mm，拱座处加厚至26 mm，沿钢箱拱纵向每2 m设1道横隔板;吊杆采用φ7 mm、标准强度1 670 MPa的高强钢丝成品索，锚具采用7-61球铰改进型冷铸吊杆锚，在主拱脚处设置流线形钢副拱以增强景观效果。桥梁结构具有“刚性梁柔性拱”的特点，见图1，图2。

图1 主桥立面(单位:cm)

2 施工过程及现状

2.1 主要施工程序

图2 主梁截面(单位:cm)

由于两岸边跨均位于交通密集区，挂篮净空受限且施工期间不得中断既有道路运输。故该桥采用不对称悬臂浇筑法进行施工，即边跨侧主梁采用分段支架现浇而中跨采用悬臂法施工。从图2可知，主梁箱体宽度26 m，两侧为2×6 m的大悬臂翼缘，使截面顶宽达38 m，施工时采用6主桁棱形挂篮超前浇筑箱体，两侧设横向挂篮随后施工大悬臂翼缘的“品”字形推进方式，使该桥的悬臂施工具有自身的特点，其主要施工程序简要介绍如下。

主要施工顺序:

第一步，在主墩旁及两岸搭设第1、2现浇段及0号块支架，施工岸旁第1现浇段及0号块;

图3 各主要施工阶段照片

第二步，施工0号块上混凝土拱座并安装拱脚段钢箱，中跨悬臂施工1，2号块;

第三步，边跨第1合龙段施工;

第四步，施工3号块后，落后2～3节段用横向挂篮浇筑主梁大悬臂翼缘，形成“品”字形推进，浇筑边跨第2现浇段;

第五步，拆除边跨第1现浇段支架，搭设第3现浇段支架并施工该现浇段，中跨悬臂施工4～7号块;

第六步，施工边跨第二后浇段，拆除第2、3现浇段支架;

第七步，中跨悬臂施工8～10号块，中跨合龙并完成主梁体系转换;

第八步，支架安装拱肋钢箱，安装吊杆;

第九步，完成桥面系等永久荷载的施工。

各主要施工阶段照片见图3。

2.2 桥梁现状

2011年1月桥梁健康检查情况。

主梁裂纹共1 378条，均为未贯通裂纹，累计长度1 236 m，其中宽度≥0.15 mm的裂缝共计506条，长度507 m，这些裂缝主要集中在箱梁的顶板、腹板、横隔板、边箱翼缘加劲肋板上。底板仅发现2条裂缝，中墩发现2条裂缝。

盆式橡胶支座螺栓有锈蚀现象。

副拱与箱梁结合处箱梁外表面积水，箱梁内亦有渗水现象。

伸缩缝齿板被黄泥堵塞，且齿板间距过大。

主梁混凝土强度推定值48.8 MPa。

主梁混凝土碳化深度、钢筋保护层厚度、钢筋锈蚀情况、钢拱肋涂层厚度及附着力均满足规范要求。

箱体外的吊杆导索管普遍锈蚀，个别有缺失。

吊杆内力普遍较设计初始拉力大，实测吊杆在恒载和活载共同作用下最小安全系数2.32，小于规范≥2.5的要求。

主桥、拱肋线形平顺，桥面铺装完好，荷载试验冲击系数小于计算值。

按实际吊杆内力分布并考虑桥梁现状进行检算后，主梁在各效应组合下的承载能力均满足规范要求。

3 结构状态分析与实测对比

3.1 结构建模(图4)

3.1.1 单元划分及边界条件

根据桥梁设计图纸及施工组织计划将主桥结构进行如下划分:

主梁按支点位置、截面变化、横隔板、节段长度及吊杆位置等要求划分为101个梁单元;

钢箱拱肋按制造和安装要求划分为32个梁单元;

吊杆按设计及安装要求，计28个索单元;

正式支座按设计要求指定;

现浇支架按节点弹性支撑处理;

临时支座及龙口约束锁定均按设计要求指定。

图4 结构分析模型

3.1.2 荷载及施工周期

(1)主要荷载

结构自重:混凝土考虑普通配筋及预应力钢索后按容重26 kN/m3计算，钢材按容重78.5 kN/m3计算。

桥面铺装:按设计图纸要求计算并按实际施工顺序分步加载。

(2)施工周期

施工挂篮:每个重1 600 kN。

0号块及边跨第1现浇段(含挂篮拼装及预压)46 d;1、2号块各20 d;3号块20 d，边跨第2现浇段及后浇段25 d(含横向大悬臂翼缘，但不含支架预压);4～6号块各20 d;7号块20 d，边跨第3现浇段及后浇段25 d(不含支架预压);8～10号块各20 d，中跨合龙段20 d(含后期钢束张拉);钢拱肋安装10 d，吊杆安装30 d;二期恒载施工20 d;吊杆调整10 d;收缩徐变10年。

3.2 吊杆状态

3.2.1 现场吊杆实测情况

如表1所示，从测试时间上划分，主桥共计进行过4次实测，其中第1次为竣工时的测量值，第2～4次为第三方的测量值。在吊杆力的测试手段上，第2、3次仅采用频率法;第4次则采用频率法和张拉法相互校核，且2种方法所测结果误差平均约为5%，故具有一定的准确性。

表1 历次吊杆内力测试 kN

从图5可知，2008年2月竣工时吊杆的内力测试结果与设计初张力基本符合;交付运营约2年后，2009年12月测试结果分别为设计初张力的1.48～1.97倍;2010年3月测试结果分别为设计初张力的1.5～1.93倍;2011年1月测试结果分别为设计初张力的0.71～1.78倍。

3.2.2 吊杆内力分析

由于结构体系中有索单元，故在分段施工分析中按非线性(小位移)累加模型进行分析，以便既考虑索单元的几何非线性又考虑混凝土主梁的徐变收缩特性。而吊杆初拉力荷载则按“体外，替换”方式处理，以便符合现场“安装吊杆力”和“调整吊杆力”分次张拉的实际情况。

图5 历次吊杆内力测试

(1)按设计初张力计算

图6为按设计初张力进行分析后得出的各阶段吊杆内力情况，由于对称关系，图中仅列出了1～7号吊杆的情况，吊杆的恒载内力在853～992 kN。

图6 设计初张力条件下各阶段吊杆内力

(2)吊杆内力时程

图7给出了1～7号吊杆在各工(含测试)阶段的内力变化时程。

图7 吊杆内力时程

以上计算均按照设计施工方案进行，其中“吊杆安装”时各吊杆初次张力按130 kN分批对称进行张拉，在“吊杆调整”阶段，则分别张拉至设计初张力。

3.2.3 吊杆内力实测与理论计算对比

吊杆安装时所施加的初始拉力仅代表吊杆张拉那一刻的吊杆受力情况，此后索单元的初拉力由“体外力”转为“体内力”，其值将会随着结构的变化而发生改变。

表2给出了与2011年1月13日测试相应时刻理论计算与实测结果的对比情况，其实测值较计算值的增幅在-32.4% ～+64.6%之间，平均为+37.1%。从中可以得出:无论何种原因所致，吊杆内力确实较理论分析值增大的结论。

表2 2011年1月13日实测吊杆内力与理论计算值对比

4 主要原因分析

经综合分析，特别是从第4次检测吊杆内力的情况来看，是在封锁交通后的恒载情况下测出的结果，与计算恒载吊杆内力有可比性。所以，吊杆内力增大主要应是结构恒载较设计偏大以及主梁徐变收缩所致，其可能原因简要分析如下。

4.1 施工方面

4.1.1 施工误差

分段施工的桥梁结构误差大体上来自于:施工荷载变化，结构性能差异，量测手段，环境影响和计算模型失真。

(1)主梁混凝土施工的误差贯穿于前3个方面，主要表现在混凝土容重及弹性模量、模板安装、施工活载的集度和位置、预应力和索力张拉、混凝土的收缩徐变等，而这些误差具有一定的离散性和不确定性。如混凝土容重随着粗细集料的品质、级配和配比而变化，这些将引起结构重力及其集度的变化;而模板安装误差及其支撑体系的刚度所引起的截面尺寸改变从而导致截面特性变化等，都会使实际结构状态偏离设计目标。

就本桥来说，中跨主梁在起着主要承载作用的同时，也作为系杆拱的水平系杆使用，因而主梁状态的变化无疑将导致拱肋和吊杆状态发生变化。

(2)预应力及索力的误差:由于张拉机具、测量(压力和伸长量)工具、锚固设备、管道摩阻、钢束(或钢索)模量的误差。

(3)收缩徐变误差:收缩和徐变模式、环境温湿度以及构件内外周界与大气接触程度、混凝土品质及其加载龄期等。

(4)测量误差:水平仪、全站仪、钢尺、传感器、材料试验机和压力机、压力表、频率计、电桥等量测设备的误差。如表1所示，相同吊杆力在3次健康检查中，其互差就在-12.8%～+56.5%范围变化，而这段时间内由于收缩徐变而引起吊杆内力的增幅经计算大约在1.1% ～2.2%，平均约为1.8%，说明频率法和张拉法测量吊杆内力时，由于种种因素影响，其结果有很大的差异。

4.1.2 施工不当

(1)箱梁内部个别细微构造如张拉齿块、小孔洞、下肋板等部位的模板设计偏弱，甚至采用固定并不十分牢固的组合模板，造成混凝土浇筑过程中这些部位模板的胀模或移位，从而改变了截面的尺寸和质量。

(2)中跨悬臂浇筑时，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，几乎是就地摊铺到顶板或底板内，从而增加节段质量和尺寸，这种情况在类似分段施工中较为常见。虽然可以在分段施工中通过监控(调整节段立模高程)来解决主梁空间线形，但这类增加的恒载对结构内力所造成的影响却遗留了下来。

(3)混凝土的拆模和养护，这方面的问题主要容易造成构件的局部破损和温度裂纹。

4.2 运营与维护

4.2.1 运营管理

在桥梁使用过程中，确保活载始终处于设计活载等级范围，是桥梁达到设计使用寿命的基本要求之一。由于众所周知的原因，我国公路桥梁、包括城市桥梁普遍存在长期超负荷运营的情况，有的甚至造成桥梁坍塌的案例时有发生。

另一方面，城市桥梁建成后，在原设计以外增加各类附着式过桥管线的情况在国内也较为常见，如供水管线等，其载荷量一般都能达到一定量级。

4.2.2 维修养护

据2009年3月海口“(全国)桥梁安全耐久性、检测与维修加固技术研讨会议”披露的数据，至2007年底，全国公路在用桥梁约57万座/2.32万km，平均以1.5万座/年的速度递增。可以说桥梁工程技术人员基本集中在桥梁建设方面，而运营维护的技术力量相对薄弱得多，这和早已过了建设高峰期的发达国家情况正好相反。

(1)重要构件及部位的管、养

对于主梁、拱肋、吊杆、支座、伸缩缝等重要构件和部位，既要有合理的检查、评估程序和周期，同时日常的维修养护必不可少。

对外露的钢构件，由于长期暴露于大气中，在腐蚀环境下，如支座、钢箱拱、导索管、吊杆及其锚具等的锈蚀，伸缩缝齿板的堵塞或梁缝的顶死现象普遍存在。如梁缝、支座等部位不易被观察到，其检查维修难度较桥面栏杆大得多，所以定期更新防腐涂层、更换部件和及时清理堵塞物的实际维修工作更是重中之重。

(2)检测手段

对于吊杆的检测，目前应用较多的是“频率法”。对于均质柔性索来说，其索力一般理论解析公式为

当 EI/l2→0且取基频 n=1时，公式简化为:T=4ρl2f2。式中除基频f为实测值外，其余为索的几何物理参数。就本桥来说，最短吊杆长度7.761 m，其外露自由长度2.916 m;最长吊杆长度19.223 m，其外露自由长度16.322 m。而埋入部分对于吊杆自由振动的约束阻尼情况还无法准确测试，特别是桥面导索管及其防护罩由于种种因素如锈穿、破损或松脱后导致管内沉积杂物，从而对管内吊索振动形成阻尼干扰时，式中吊杆的计算长度的取值则成了关键。以最短吊杆为例，在基频相等、计算长度分别为7.761 m和2.916 m时，吊杆力要相差(7.761/2.916)2≈7.1倍;同理，最长吊杆力也会相差(19.223/16.322)2≈1.4倍!这当然是极端的情况。

对于张拉法来说，只要在张拉过程能准确检测到锚具与垫板松动那一时刻的张力，就能较准确地确定吊杆的内力，不过其准确程度仍然受到量测精准度的制约。

由于拉索的破断多为重复荷载扰动下应力热点处的疲劳裂纹萌生、发展所致，这些损伤裂纹有的可见，有的不可见，受检测手段所限有的还检测不到，至今尚无充分的试验研究来确定其机理。因此，目前国内对于这类索吊结构的公路桥梁基本上采取“两年一检，十年一换”的方式，实为无奈之举。

5 建议

5.1 施工过程

(1)除桥梁线形的施工监测外，不应忽略过程中混凝土密度及其弹性模量的监测;

(2)注重主梁内模板的优化设计和实施;

(3)确保混凝土加载龄期、养护达到规范及设计要求;

(4)在施工组织方案中明确施工活载的停放和布置计划并反映到监控程序中，在实施过程中严格按施工组织计划执行。

5.2 运营和维护

(1)由于过大的应力幅是疲劳破坏的主要因素，须严格限制超重、超限车辆通行;

(2)对桥梁存在的病害和缺损及时进行整治;

(3)加强对支座、伸缩缝等部位的日常巡查、清理和养护;

(4)定期进行吊杆内力检测，并尽可能用频率法和张拉法相互校核。特别要注意对吊杆防护罩、锚头、垫板、导索管外露部分等容易受到腐蚀侵蚀或应力集中的部位进行周期性检查和维护，以防应力集中损坏或疲劳应力侵蚀下的突发断裂。

(5)确认吊杆内力实为结构恒载偏大所致时，可以在重新计算分析的基础上进行调索或换索处理。

［1］ 中华人民共和国交通部.JTG D60—2004 公路桥涵设计通用规范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［2］ 中华人民共和国交通部.JTG D62—2004 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［3］ 中华人民共和国交通部.JTG/T D65—01—2007 公路斜拉桥设计细则［S］.北京:人民交通出版社，2007.

［4］ 朱卫国.梁拱组合体系桥梁分析及其试验研究［D］.杭州:浙江大学，2003.

［5］ 金成棣.预应力混凝土梁拱组合体系设计研究与实践［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［6］ 唐智波.应力腐蚀耦合作用下的断裂力学问题［M］.杭州:浙江大学出版社，2007.

［7］ 中铁大桥(南京)桥隧诊治有限公司.某大桥主桥检测试验技术报告［R］.南京:中铁大桥(南京)桥隧诊治有限公司，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

陈 麟(1958—)，男，教授级高级工程师，1982年毕业于西南交通大学土木工程专业，工学学士，E-mail:jkylin@163.com。