RC斜拉桥承载能力评定方法研究

余成群,史振伟,宋泽冈,李 波

(云南省公路科学技术研究院,云南 昆明 650051)

当前对RC斜拉桥承载能力的评定主要有两种方式,一是根据桥梁检查与检测结果,采用引入分项检算系数修正极限状态设计表达式的方法进行。李文超[1]通过对斜拉桥开展外观检查、桥面线形测量、索力检测、桥梁基频采集等,对其承载力进行评定和分析;王伟[2]依据桥梁的外观及无损检测结果并结合实测动力参数,采用折减系数的概念,确定了各项检算系数,通过对初始理论值的折减与修正评定桥梁当前状态下的承载能力。该方法中的部分重要验算项目有遗漏,未能完全反映桥梁的承载能力。二是桥梁荷载试验。Zhang等[3]通过静载试验、动载试验等手段,合理评估了独塔斜拉桥的承载能力;费文[4]设计了某座单索面斜拉桥的动、静载试验加载方案并进行现场试验,得到了静载试验的校验系数及桥梁振动数据;易炳疆等[5]以重庆千厮门嘉陵江钢桁梁斜拉桥为例,建立了基于梁单元和板壳单元的有限元模型,并进行了数值分析。虽然桥梁荷载试验的测试结果相对准确,但荷载试验存在成本高、过程复杂、交通中断的缺点。

本文提出了对RC斜拉桥的承载能力评定方法,明确了需要检测的项目,以及后续验算项目,可为以后RC斜拉桥的承载能力评定提供借鉴和参考。

1 RC斜拉桥承载能力评定方法

参考《公路桥梁承载能力检测评定规程》[6]提出的RC斜拉桥承载能力评定方法如图1所示,主要包括前期准备工作、现场检测、后期验算等3个步骤。

图1 RC斜拉桥承载能力评定方法

2 实例分析

2.1 工程概况

云南省某RC斜拉桥(见图2)全长416.44 m,上部结构为3～30 m预应力混凝土简支T梁(引桥)+2×145 m独塔双索面钢筋混凝土斜拉桥(主桥)+1～30 m预应力混凝土简支T梁(引桥)。设计荷载等级为汽车-20级,挂车-100。主桥采用倒Y型斜腿门式框架索塔,塔墩一体结构,主梁与索塔分开,形成漂浮体系。索塔两边斜拉索顺桥向各有19组,全桥共38组,小桩号侧每组4束,大桩号侧每组2束。主梁的两侧为矩形截面纵梁,纵梁间设顶板、底板、横梁,形成闭合的箱形结构。索塔处设有4个EX-1000型盆式支座,3#、5#墩(过渡墩)处各设有4个EX-125型盆式支座。引桥主梁为30 m预应力混凝土简支T梁,采用矩形板式橡胶支座。

图2 RC斜拉桥

2.2 现场检测

2.2.1 现场检测说明

该桥现场检测项目包括几何形态参数(桥面线型、索塔变位)、材质状况相关参数(材质强度、钢筋锈蚀电位、氯离子含量、电阻率、碳化状况、钢筋保护层厚度、桥梁自振频率)、斜拉索索力、基础与地基检测、外观检测等。

该桥的基础与地基检测未见异常。对桥梁的外观进行检查,并进行桥梁技术状况等级评定,桥梁主桥上部结构技术状况等级分别取3类。依据规范规定,取桥梁结构缺损状况评定标度为3,总体技术状况等级评定为3类。

2.2.2 桥梁材质状况与状态参数检测评定

(1)其余相关参数检测评定。

根据规范,对桥梁材质状况的相关参数进行现场检测,参数取值和评定标度如表1所示。

表1 桥梁相关参数取值及评定标度

(2)检算系数。

按照规范及该桥的专项检测结果,检算系数取值如表2所示。

表2 检算系数取值

2.3 后期验算

采用Midas Civil进行有限元计算分析。该桥的有限元模型由420个节点和339个单元组成。斜拉桥的结构内力由结构自重及斜拉索索力决定。在建模过程中,通过模拟施工阶段模拟该结构的自重内力状态,并通过带入斜拉索实测索力(采用反算无应力长度方法)模拟其索力状态,进而保证结构的恒载内力及结构刚度与实际相符。

2.3.1 几何形态参数检测评定

(1)桥面线形。

桥面实测线形如图3所示。主桥的5#跨L/2～5L/6段竖向线形呈上凸形态(比该跨测点标高的平均值大3.5～9.3 cm。经查阅该桥历史档案资料,该线形不平顺,成桥时即存在)。主桥的4#跨整跨及5#跨A端～L/3段竖向线形变化较为平缓。

图3 主桥桥面线形图

(2)索塔偏位。

索塔塔顶纵桥向最大偏位:左肢为-1.85 cm、右肢为-1.11 cm。最大垂直度:左肢为-0.073%、右肢为-0.045%。数值均为负值,表明索塔塔顶纵桥向往A岸倾斜。索塔塔顶横桥向最大偏位为+0.81 cm,最大垂直度为+0.046%。数值均为正值,表明索塔塔顶横桥向往左侧倾斜。综上可知,主桥索塔塔顶纵桥向、横桥向最大偏位均未超过±2 cm,最大垂直度均小于±0.1%,表明索塔塔顶仅出现轻微倾斜变形现象。

2.3.2 斜拉索索力检测评定

斜拉索索力采用振动法测试,恒载下斜拉索索力测试结果如图4所示。本文实测索力与该桥换索后(2004年9月)的数据对比如图5、图6所示。

图4 恒载下斜拉索索力实测值分布图

图5 恒载下索力实测值与设计值对比

图6 恒载下本文与换索时索力的实测值对比

恒载下索力:小桩号侧左索面在742.1～1 339.9 kN之间、右索面在730.5～1 402.8 kN之间;大桩号侧左索面在1 529.4～2 666.2kN之间、右索面在1 490.0～2 779.8 kN之间。

索力偏差率:与设计值相比,小桩号侧左索面在-7.62%～+16.78%之间、右索面在-8.66%～+11.87%之间,大桩号侧左索面在-0.74%～+9.09%之间、右索面在-1.67%～+10.84%之间。主桥全部114根斜拉索中,索力与设计值的偏差率大于±5%的共有58根(小桩号侧左索面为26根、右索面为19根,大桩号侧左索面为8根、右索面为5根),占50.88%;索力与设计值的偏差率大于±10%的共有7根(小桩号侧左索面为2根、右索面为4根,大桩号侧右索面为1根),占6.14%。与换索时的实测值比较:小桩号侧左索面在-9.06%～+12.99%之间、右索面在-3.79%～+5.49%之间;大桩号侧左索面在-2.85%～+3.67%之间、右索面在-3.78%～+2.88%之间。主桥的114根斜拉索中,索力与换索时实测值的偏差率大于±5%的有5根(小桩号侧左索面为4根、右索面为1根),占4.39%。

自2004年换索后至本文检测时,该桥梁已运营15年,斜拉索索力总体分布较均匀,整体统计较设计值平均偏大3.95%,比换索时的实测值平均偏小0.54%,有7根(占6.14%)索力与设计值的偏差率大于±10%。

2.3.3 恒载内力验算

(1)主梁恒载内力对比。

设计时的、换索后实测的、本文实测的主梁恒载内力对比如表3所示。由表3可知:2/3跨区域最大负弯矩最大增大27 237 kN·m,增大2.24倍;主梁根部最大正弯矩最大增加38 483 kN·m,增加了1.48倍;最大轴力最大增加了3 209 kN,增加了5.2%。因此,索力变化导致主梁内力产生了巨大变化,主梁内力均匀程度降低。

表3 主梁恒载内力对比

本文实测索力较换索后实测索力有所减小。2/3跨区域负弯矩减小4 788 kN·m,减小12.2%;主梁根部正弯矩减小7 785 kN·m,减小了11.8%;最大轴力减小596 kN,减小了0.9%。主梁内力均匀程度有所改善。

(2)索塔恒载内力比对。

由表4可知,换索后实测索力较加固图设计索力:小桩号侧索力较大桩号侧索力偏大,索塔存在较大弯矩;本文实测索力较换索后实测索力:小桩号侧实测索力较换索后实测有所降低,而大桩号侧基本不变,两侧索力差有所减小,内力有所改善。

表4 索塔恒载内力对比 kN

2.3.4 现行规范验算

(1)主梁验算。

正截面抗力验算。基本组合荷载作用下,弯矩及轴力包络图如图7a、图7b所示。在组合Ⅰ、组合Ⅱ、组合Ⅲ下,按规范[3]检算,承载力的安全系数最小为0.9,且位于小桩号侧1号拉索和主梁根部附近区域,这不满足原设计规范要求,此时对应的最大弯矩为119 688 kN·m、轴力为-93 367 kN。

a 弯矩包络图

抗剪验算。在组合Ⅰ、组合Ⅱ、组合Ⅲ的荷载作用下,最大剪力包络图如图7c所示。在组合Ⅰ、组合Ⅱ、组合Ⅲ下,按规范[3]检算,抗剪安全系数最小为1.8,且位于索塔根部,最大剪力为5 032 kN。

裂缝宽度验算。在频遇值组合下,主梁各截面弯矩及轴力包络图如图7d、图7e所示。在频遇值组合下,按规范检算,最大裂缝宽度为0.14 mm,且位于小桩号侧14、17号拉索附近区域,满足原设计规范小于Z1×0.25 mm=0.27 mm的要求。

(2)索塔验算。

正截面抗力验算。在基本组合荷载作用下,弯矩及轴力包络图如图8a、图8b所示。在基本组合下,按规范检算,承载力安全系数最小为2.6,且位于索塔根部。此时对应的最大弯矩为45 433 kN·m、轴力为-84 418 kN。

a 弯矩包络图

抗剪验算。在基本组合荷载作用下,最大剪力包络图如图8c所示。在基本组合下,按规范检算,抗剪安全系数最小为3.1,且位于索塔中部。此时对应的最大剪力为-3 262 kN,相应的抗剪承载力为10 165 kN。

裂缝宽度验算。在频遇值组合下,索塔各截面最小压应力包络图如图8c、图8d所示。在频遇值荷载组合下,索塔处于全截面受压状态,其抗裂性能满足现行规范要求。

(3)斜拉索验算。

在标准值组合下,斜拉索安全系数为2.4～5.0之间,基本满足现行规范不小于2.5的要求。

(4)支座验算。

原设计中,在索塔处设置了4个EX-1000型盆式橡胶支座,并在过渡墩处(梁端)各设置4个EX-125型盆式橡胶支座。标准组合下索塔处支座反力的最大值为1 809.7 kN、最小值为113.9 kN,过渡墩处单个支座反力的最大值为423.3 kN、最小值为-374.0 kN,原设计支座均满足设计承载力。

(5)主梁刚度验算。

按照本文实测索力计算,汽车荷载作用最大挠度为10.6 cm,规范限制为L/500=29.0 cm,表明主梁刚度满足规范要求。

3 结论

探讨了RC斜拉桥承载能力评定常用的两种方式,并根据桥梁检查与检测结果,引入分项检算系数修正极限状态设计表达式,提出一个关于RC斜拉桥承载能力评定的方法,将其应用到某RC斜拉桥。主要结论有:

(1)完整的RC斜拉桥承载能力评定应包含前期准备、现场检测、后期验算等3方面的工作。

(2)现场检测应包含几何形态参数、桥梁材质状况相关参数、斜拉索索力、基础与地基、外观检查等5方面的内容。

(3)后期验算应包含几何形态参数、索力、恒载内力、现行规范验算、斜拉索、支座验算、主梁刚度等7项验算内容,能较全面地反映RC斜拉桥承载能力。

(4)提出的评定方法条理清晰、项目明确,可全面反映RC斜拉桥承载能力,为以后RC斜拉桥的承载能力评定提供借鉴和参考。