钢管混凝土系杆拱桥的结构检测与评估1

1、第6期（总第156期）2011年12月CHINAMUNICIPALENGINEERINGNo6（SerialNo156）Dec2011DOI：103969/jissn10044655201106025钢管混凝土系杆拱桥的结构检测与评估金国俊，高振（镇江市市政设施管理处，江苏镇江212000）摘要：对钢管混凝土系杆拱桥实施了常规检测和动、静载试验，并结合有限元建模与分析；最终对桥梁进行了安全评估，为桥梁的日常养护维修提供了依据。从荷载试验结果看，桥梁的各项检测指标符合试验规程要求，即当前尚满足设计荷载等级；但由于该桥的结构特点，针对现存的安全隐患，应立即组织维修。关键词：钢管混凝土；系杆拱桥；检

2、测；有限元；评估中图分类号：U4482256文献标识码：A文章编号：10044655（2011）06006602针对1座下承式钢管混凝土斜靠式系杆拱桥开展结构检测与评估，对该桥实施了包括外观观测、混凝土强度检测和斜吊杆索内力、钢筋锈蚀程度、保护层厚度等结构检测。为了更准确地判明结构安全性及承载能力，又对其实施了动、静载试验，并进行有限元建模与分析。最终通过综合检测、试验与分析结果，判明了其安全技术状况，为该桥的日常养护维修提供了科学依据。1桥梁概况桥梁为1座下承式钢管混凝土斜靠式系杆拱桥，建于2002年，单跨过河，全桥总长81m，主拱计算跨径70m，桥面全宽在桥台处为40m，跨中加宽到52m，

3、人行道外侧呈圆弧状。桥梁纵向由直拱、系杆并缀以直吊杆构成主要纵向受力体系。由直接支承于承台的斜拱及斜吊杆构成辅助纵向受力体系。横向通过风撑将直拱肋与斜拱肋连成整体，并最终通过横梁将桥面连成整体，形成一个空间协同受力体系。搁置在横梁上的行车道板及现浇层等构成桥面行车系，搁置在横梁上的人行道梁、板等构成人行道系（见图1）。检测和细部构件外观检测。经检测，桥面线形与设计基本吻合，直拱肋与斜拱肋部分区域渗水，油漆剥落与局部锈蚀明显，并有进一步发展趋势。斜吊杆PE护套局部断裂，上下锚固端漏油，个别锚头漏油严重；横梁及系杆局部渗水并伴有白色结晶物，出现水蚀现象，部分区域预应力波纹管及钢筋外露锈蚀。桥梁支座

4、钢构件锈蚀严重，伸缝装置被杂物堵塞，个别泄水管堵塞、锈蚀。2）混凝土强度检测。混凝土强度以超声回弹综合法为主进行混凝土强度检测。由于混凝土结构不对结构强度有一定的影响。可避免地存在碳化现象，经检测，混凝土碳化平均深度横梁为093mm、系杆为083mm、纵梁为086mm。由于在碳化均值修正后混凝土强度60MPa，故此次采用超声回弹综合法推定横梁混凝土强度值为56MPa，系杆混凝土强度为558MPa，纵梁混凝土强度为49MPa，实测强度值均大于设计值，即混凝土强度仍满足原设计要求。3）钢筋保护层厚度检测。采用钢筋探测仪检验第1层钢筋排列位置及钢筋保护层厚度。经检测，横梁横桥向（内层）钢筋净保护层厚

5、度均大于设计值（35mm），而竖向（外层）钢筋净保护层除1处（251mm）符合原设计值，其余均偏薄，小于设计值。系杆顺桥向与竖向钢筋净保护层厚度均大于设计值。4）钢筋锈蚀程度检测。钢筋的锈蚀严重影响着图1钢管混凝土系杆拱桥整体图结构的承载能力，并加速结构的损坏。本次检测采用电化学反应半电池电势原理对钢筋锈蚀进行定性测全桥共计56个测点，除2个测点的电位量。经检测，值200mV外，其余测点电位值均200mV，表2桥梁检测1）桥梁外观检测。桥梁外观检测分为总体外观66收稿日期：20110621金国俊，高振：钢管混凝土系杆拱桥的结构检测与评估2011年第6期明测区内钢筋主要处于无锈蚀活动性或锈蚀活动

6、性不确定状态，个别区域内局部钢筋有锈蚀活动性，但锈蚀状态不确定，可能出现坑蚀。5）斜吊杆内力测试。采用频谱法测量了全桥南北两侧共计30根斜吊杆的内力值。测试结果显示，南北侧实测索力在最终张拉力上下浮动（北侧最终张拉力为360kN，南侧最终张拉力为380kN），除去两端短索由于测试误差等因素不予采用外，北侧索力差值变化范围为26kN47kN，南侧索力差值变化范围为26kN16kN，与最终张拉力基本吻合。331动、静载试验静载试验采用30t加载车进行等效加载，试验荷载均逐级递加，达到最大荷载后一次卸载。分别采用振弦应变计和光纤应变计测量应变，采用精密水准仪测量桥面的竖向变形，采用光电挠度仪测量系杆

7、及横梁下缘变形，采用全站仪测量拱肋变形。静载试验各工况下所需加载车辆的数量及重量，根据设计标准活荷载产生的某工况下的最不利效应值按下式所定原则等效换算而得：08=SstaticSdesign（1+）10（1）构在车辆荷载下的抵抗受迫振动特性。其中梁体混凝土动挠度采用光电挠度进行测定，强迫振动试验采用2辆试验载重车（30t）进行跑车。共布置12个测1/2、3/4位置处点（每侧6个），分别位于各跨的1/4、的桥面与直拱肋。脉动试验测点布置见图3。图3脉动试验测点立面、平面布置图4有限元建模与分析本桥的有限元计算模型是通过桥梁专业软件MIDAS建立的。拱桥采用杆系结构计算力学模型进行建模计算分析；对

8、于混凝土主梁、横梁和钢管斜拱肋，直接采用梁单元进行模拟；对于吊杆采用只受拉的索单元进行模拟；对于钢管混凝土直拱肋先采用等效截面的方法计算出等效混凝土截面大小，然后采用梁单元模拟钢管混凝土直拱肋。全桥共计446个节795个单元，点、结构的有限元模型见图4。式中：为静力试验荷载效率；Sstatic为试验荷载作用下，某工况最大计算效应值；Sdesign为设计标准活荷载不计冲击作用时产生的某试验工况的最不利计算效应；（1+）为设计计算取用的冲击系数。本桥跨的试验加载控制工况与控制截面关系见图2。图4桥梁有限元计算模型5注：截面A，系杆梁跨中截面的最大正弯矩和变形工况，对称与偏载。截面B，系杆梁1/4跨

9、截面的最大正弯矩和变形工况，对称与偏载。截面B，系杆梁1/4跨截面的最大负弯矩工况，对称与偏载。截面C，直拱肋拱顶截面最大变形工况，对称与偏载。截面D，直拱肋1/4跨截面的最大变形工况，对称与偏载。截面E，横梁1/2跨截面的最大正弯矩工况，对称与偏载。试验与计算结果对比分析在试验各工况对应的动、静载作用下，通过有限元模型计算结构各控制截面的应变、挠度及固有模态频率，再与实测的结果进行对比，从而对该桥的实际桥梁结构的行车性能进行检定和安全承载能力、评估。实测本桥静载试验的应变和变形校验系数均满足预应力混凝土桥应变校验系数050090和挠度校验系数060100的限值要求。实测最大残余变满足试验规程

10、20%的限值要求，说明桥形率为37%，（下转第70页）67图2静载试验控制截面32动载试验动载试验主要是检测桥梁自身的动力特性和抵抗受迫振动与突发荷载的能力，分别采用脉动法测试桥梁结构的固有模态，采用强迫振动试验检测桥跨结孙家瑛，蔡明，陆青清，等：脱硫石膏改性三渣混合料的强度和耐久性研究2011年第6期物质）的作用下形成钙矾石的作用相关。在工程中，常用粉煤灰取代部分水泥改善混凝土抗硫酸盐侵蚀能力，粉煤灰取代水泥量越大，混凝土抗硫酸盐侵蚀能力越强。脱硫石膏的主要成分是CaSO4·2H2O，在水溶液环境下会游离出部分SO，为粉煤灰提供一个因此起到类似激发有利于形成钙矾石的硫酸盐环境，剂的

11、作用。这就解释了为什么脱硫石膏改性三渣混合料具有十分强的抗硫酸盐侵蚀能力。4试点工程应用2011年6月在浦东新区申江路改造工程现场铺筑脱硫石膏改性三渣基层试验段。配比为脱硫石膏粉煤灰石灰碎石=8171560，现场拌和时允许每种材料的质量偏差为±3%。现场先用挖掘机把混合料摊平，再利用人工局部找平，最后采用压路机碾压。经14d现场养生后，测试改性三渣混合料基层的后轴重回弹弯沉结果见表5。试验车型为BZZ100，10t、轮胎内压07MPa。试验位置为路中心（辅西4）侧。平均回弹弯沉值为036mm，设计弯沉值为043mm。脱硫石膏改性三渣混合料基层的弯沉值满足设计要求。524表5桩号K3K

12、3K3K3+830+850+860+890改性三渣混合料基层回弹弯沉试验报告实测弯沉038034040032平均值设计弯沉mm036043结语1）粉煤灰三渣混合料采用脱硫石膏等量置换粉7d强度煤灰可以提高早期强度，当置换量为35%时，能够满足对三渣混合料的技术要求。可达155MPa，2）脱硫石膏改性三渣混合料抗冻性、耐水性和抗干湿循环能力、抗硫酸盐侵蚀性能等长期性能均优于普通三渣混合料。参考文献：1孙家瑛，周承功，于鸣，等废石膏用于粉煤灰三渣基层材料的研究J粉煤灰，2003（3）：35及应用2张林，腾云提高二灰混合料基层早期强度的方法研究J重庆交1998，17（4）：4952，58通学院学报，

13、3张文生，武汉工业大周明凯，李春路面基层材料的改性研究J1997，19（4）：6062学学报，櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅（上接第67页）梁的承载能力满足要求。静载试验校验系数及残余变形见表1、表2。表1加载工况工况1工况2控制截面AB实测3255阶次1变形计算/mm75822校验系数061077表3频率/Hz计算192313365动载试验固有模态频率实测197332381阻尼比/%160157122振型主要特性反对称竖向弯曲对称竖向弯曲对称横向弯曲静载试验校验系数应变计算6368校验系数051081实测/mm4662表4车速

14、条件v/km·h1极大动挠度/mm动载试验冲击系数20127312191044109930127510464012571031表2加载工况工况1工况2加载方式对称对称静载试验残余变形挠度均值/mm7582残余变形均值/mm0203残余变形率/%2737截面AB静载挠度/mm实测冲击系数（1+）设计冲击系数（1+）通过分析试验脉动数据，得到各模态的实测频率均比相同模态振型对应的计算频率大，说明结构整体刚度较好。通过测试各种强迫振动情况下的动挠度及对应的最大静载挠度，换算桥跨的冲击系数处于正常范围。实测冲击系数最大值为0046（按规范计算为0099），说明试验桥跨的设计冲击系数满足规定。

15、实测固有模态基频和计算值及动载试验冲击系数见表4。表3、706结语本桥造型新颖独特，结构特殊，通过对桥梁的常规检测、动静载试验及有限元分析，对桥梁结构从适用性方面、耐久性方面和安全性进行了评定。从荷载试验结果看，该桥的各项检测指标符合试验规程要求，即当前尚满足于设计荷载等级，但由于该桥的结构特点，吊杆及拱肋存在的安全隐患直接影响全桥的故应立即组织维修。安全性，ABSTRACTSsteelpipejackingKeywords：steelpipejacking；curvedjacking；pathcontrolsystem；QingcaoshaWaterSourceRawWaterProject

16、OnProjectFeaturesandConstructionTechnologyRequirementsofSynchronousCrushingStoneandSealingLayerProcessXUJianbing（JiangsuTransportationResearchInstituteCo，Ltd，Nanjing210017，China）Abstract：Thedefinitionofsynchronouscrushingstonesealinglayerprocessandthefeaturesoftechnologymechanismareintroducedinthisp

17、aperTheprojectfeaturesoftheprocessarecarriedoutandthemaintechnologyrequirementsofasphaltcementingmaterialandaggregatearepointedoutfromseveralimportantaspectsinvolvingwaterproofness，economicalantiskidimprovingperformance，evenness，Office，Zhenjiang212000，China）Abstract：bowstringTheconcretehasfilledbeen

18、steelmadetubedailyarchbridgedetection，livestaticloadtestscombinedwithfiniteelementmodelingandanalysisRelatedsafetyassessmentofthisbridgehasbeengiventoprovideabasisforitsdailymaintenanceTheloadtestsresultsshowthateverydetectionindexofthisbridgecanmeetwiththerequirementsofexperimentalstandards，whichme

19、ansthisbridgejustcansatisfythedesignloadclassatpresentTherefore，aimingatthecurrentpotentialsafetyhazard，thisbridgeshouldberepairedassoonaspossibleduetoitsstructurefeaturesKeywords：concretefilledsteeltube（CFST）；bowstringarchbridge；detection；finiteelement；assessmentAStudyofIntensityDurabilityofDesulfu

20、rizationGypsumModifiedThreeSlagMixtureSUNJiaying1，CAIMing2，LUQingqing2，CAOYadong2（1DepartmentofCivilEngineering，ShanghaiUniversity，Shanghai200072，China；2ShanghaiAirportRoadConstructionCo，Ltd，Shanghai200032，China）Abstract：AnexperimenthasbeenmadeforthemodifiedfunctionofdesulphurizationgypsumtoflyashthreeslagmixturesRelatedchemicalcompositionofdesulphuriz