既有混凝土斜拉桥承载能力检测评估分析

崔洪年， 邓 鸣

（1．天津市城市道路桥梁管理事务中心，天津 300171；2．长沙学院 土木工程学院，湖南 长沙 410003）

斜拉桥是我国大跨径桥梁中最主要的桥型之一[1]。国内外经验表明，随着材料性能的降低以及交通荷载的不断增加，混凝土斜拉桥在运营一段时间后面临着安全性不足的问题。为保证这些桥梁的安全运营，有必要对其开展检测评估，确定承载能力。

既有桥梁承载能力的确定，主要有结构简算法和荷载试验法。陈亚亮[2]通过动静载试验对南平岷江大桥进行了承载能力分析；赵敏等[3]以某斜拉桥为研究对象，介绍了斜拉桥的评定方法；任洪飞等[4]依据相关规范，对某桥的安全性能进行了评估。

天津某斜拉桥修建于20 世纪80 年代，是当时国内斜拉桥的代表作之一，历经风雨服役至今已超三十年，在日益繁重的交通荷载作用下，能否保持安全运营有待深入研究。本文基于原设计荷载标准和现行公路-Ⅰ级[5]荷载标准，分别进行静载试验，对其承载能力进行评估。

1 工程概况

某主桥为全长512 m的双塔双索面、塔墩固结、连续呈漂浮体系的预应力混凝土斜拉桥，全宽14.6 m，桥跨布置为25.15 m+99.85 m+260 m+99.85 m+25.15 m；主梁高2.0 m，包括风嘴总宽14.5 m。塔高55.5 m，塔柱斜腿段为型钢骨架混凝土空心柱，主墩为沉井基础，其余墩台为管桩基础，辅助墩设拉力摆索支座；原设计荷载为汽-20级，挂-100。

2006—2007 年，该桥进行了维修加固，主要内容包括：拆除中跨合龙段、主梁线形调整、重建新的中跨合龙段、桥面铺装翻新、更换全桥拉索并对新索进行索力调整。2008 年底，该桥再次进行了加固，主要包括南北辅助墩拉力摆索更换、边跨合龙段的修复及加固、索力调整等内容。

2 基于原设计荷载标准的静载试验

2.1 加载工况

通过采用有限元软件Midas/Civil对该桥上部结构进行模拟，全桥主梁、主塔、承台采用梁单元模型，截面尺寸按照原设计文件以及后期维修资料选取；索单元为只受拉桁架单元，每个断面4 根拉索，同侧2 根拉索按面积等效为单根拉索；辅助墩拉力摆为只受拉桁架单元。有限元模型共计341 个节点，224 个梁单元，92 个只受拉桁架单元；全桥实际为纵向漂浮体系，为确保有限元程序计算顺利进行，在跨中添加纵向约束。见图1。

图1 有限元模型

以结构计算结果为基础，设计出7 个加载工况，加载选用12台30 t的三轴车，每个工况均采用三级加载。见表1。

表1 加载工况试验效率

2.2 测试内容及测点布置

1）挠度测点布置。纵桥向布置于试验孔跨箱梁的控制截面以及孔跨的L/4、L/2、3L/4 处；横桥向布置于两侧人行道，采用电子水准仪测量。

2）应力测点布置。纵桥向同样布置于试验孔跨箱梁的控制截面以及孔跨的L/4、L/2、3L/4 处；横桥向布置于两腹板底部，每个点布设2个应变片。

2.3 测试结果分析

2.3.1 挠度

选取每个工况最大挠度的断面进行分析，荷载作用下各工况挠度校验系数在0.77～1.00之间，相对残余变位均在20%以内。以工况5 为例，荷载作用下全桥线形实测值与理论值的对比结果见图2。

图2 工况5全桥主梁挠度对比

从图2 可以看出，该桥实测结果与理论结果基本一致；主跨的理论值稍大于实测值，说明理论分析模型与实际结果基本相符。

2.3.2 应力

通过对各加载工况下各测点的应变计算值和实测值进行对比，得到各工况下控制截面校验系数的最大值、最小值和平均值，见表2。

表2 各加载工况应力校验系数

从表2 可以看出，各工况应力的校验系数最大值为0.95，最小值为0.53。说明原设计中桥跨结构具有一定的安全储备。

2.3.3 索力

在每个工况的加载前后均选择变化幅度较大的斜拉索索力进行测试，见表3。

表3 各加载工况索力

从表3可以看出，除部分拉索的实测值偏大外，斜拉索索力的理论变化值和实测变化值基本一致。

从表1-表3 可以看出，该桥各控制断面的测试数据与理论值吻合较好，桥梁结构的实际刚度满足汽-20级，挂-100荷载使用要求。

3 基于现行公路-Ⅰ级的静载试验

3.1 加载工况

试验的工况设置和测点布置均与基于原设计荷载标准的静载试验相同。为保证桥梁加载试验的安全，将试验效率控制在0.95～1.0之间，每个工况均分五级进行加载。

3.2 测试结果分析

在试验过程中，工况2 和工况4 加载至第四级荷载时，桥梁的挠度和应力数据已经超过满载荷载作用下的理论值。为保证结构安全，这两个工况没有进行第五级加载。受篇幅所限，本文列出部分工况荷载作用下的挠度和应力数据进行分析。

3.2.1 挠度

各工况荷载作用下，挠度检测结果见表4。

表4 各工况挠度检测结果

从表4 可以看出，工况5 荷载作用下桥梁实测挠度值变化趋势与理论值一致并且数值接近，说明该桥整体性能良好；但在工况2 和工况4中，第四级荷载作用下挠度值分别为53.9、54.84 mm，大于满载作用下的理论值，说明桥梁结构的刚度不满足规范要求。

3.2.2 应力

工况2 第四级荷载作用下，控制截面应力最大值为41.4 MPa，大于满级加载理论值39.80 MPa；工况4第四级荷载作用下，控制截面应力最大值为43.4 MPa，大于满级加载理论值39.80 MPa。

由此可见，该桥承载能力不能满足现行公路-Ⅰ级荷载标准。

4 结论

1）基于原设计荷载等级的静载试验结果表明，该桥承载能力满足汽-20级，挂-100荷载标准。

2）基于现行公路-Ⅰ级的静载试验结果表明，该桥承载能力不满足公路-Ⅰ级荷载标准。

3）在交通量日益繁重的情况下，为保证桥梁结构的安全，应对桥梁进行限载处理并在桥梁运营过程加强监测。