桥梁吊杆及拉索的健康诊断_汤国栋

　文章编号:0451-0712(2002)09-0036-05 中图分类号:U443.36 文献标识码:B

桥梁吊杆及拉索的健康诊断

汤国栋1,杨　弘2,朱正刚3,陈　兵1,梁利辉4

(1.四川大学　成都市　610000;2.重庆市政设计研究院;3.重庆大学　重庆市　400000;4.中国路桥集团公路一局)

摘　要:桥梁吊杆及拉索的健康隐患危及安全,阐述了健康诊断的含义和诊断实例,进而对拱桥吊杆的若干问题,表达了研究见解。

关键词:拱桥;吊杆;健康诊断

拱桥吊杆在结构功能、结构构造及荷载行为上,与斜拉桥的拉索,具有很大的相似性和互通性。这里的论述以拱桥吊杆为主,同时在若干方面二者都将涉及。

我国是一个桥梁大国,因此既有的桥梁吊杆及拉索的安全性怎样,存在什么隐患;应该如何养护、监控;吊杆设计中存在哪些问题等等,应引起充分重视。

在这一形势的驱动下,对中、下承式拱桥进行了初步调查:全国带吊杆的拱桥总数达70座以上,四川省及重庆地区占了30座左右;其中多为平行单吊杆体系;早期以采用简单的P.C夹片锚具为主,最近逐渐采用了镦头类锚具(HiAm)。

吊杆、斜缆断损和换索的事例,国内外均不罕见[16],例如:

德国Kohibrand Estuary桥,建成3年后换索,耗资6000万美元,为原造价的4倍;

美国Pasco-Kennew ick桥,建成仅3～5年,拉索失效拆换,原计划寿命为25年;

著名的委内瑞拉Maracaibo桥,使用16年后,斜缆失效,全部换索,耗资达5000万美元;

广州海印斜拉桥,使用6年后部分换索;

山东济南黄河桥,建成13年后换索;

四川宜宾南门中承式R.C肋拱桥,使用10年后换索。

无论斜拉桥和带吊杆的拱桥,换索费用都在原桥总造价的一倍以上,为原吊杆造价的数十倍;工程实例表明,拉索、吊杆的寿命一般仅3～16年。严峻的事例,使人们对以下问题提出了质疑:

吊杆的荷载行为、破损原因,以及设计准则,可靠性判据,适用规范等;

吊杆的布置、构造、防护及拆换;

既有拱桥吊杆的健康检测、诊断、剩余寿命;

确保大桥安全服役的健康监控。

考察发达国家和地区,关于中(下)承式拱桥及吊杆体系已有相当长时间和较深入的研究和实践。20世纪80年代,日本在跨径为60～100m,乃至200m左右的桥梁,广泛使用中(下)承式提篮拱,其中80%以上为交叉的双吊杆,即使少量采用平行吊杆,也是双吊杆;平行单吊杆几乎没有。对此,挪威、德国以及前苏联[16]也有广泛的研究。

基于“破损安全”原则,考察单吊杆体系存在的危险:一根失效,殃及全桥,拆换不易,费用很高。

关于设计安全系数的取值,国内无专门的直接规范,大多借鉴斜拉桥或吊桥取定,对此国内外大致相同。但关于荷载效应中的冲击系数、车道折减,钢丝束设计强度的有效系数,特别是疲劳寿命等,国内多未考虑,于是吊杆的安全度,实际上比设计判据要小得多。

在我国,当前最为迫切的现实问题是:面对正在服役的数十乃至成百座带吊杆和拉索的桥梁,数以千计的吊杆、拉索,如何确保安全?

1　桥梁的健康诊断与修复工程

在我国各条公路上,分布着数量巨大、结构复杂的现代结构桥梁,要求其日夜畅通。保证结构的健康服役,是十分重要和迫切的问题。

1.1　健康诊断技术

　公路　2002年9月　第9期 HIG HW A Y　Sep.2002　N o.9　

(1)结构健康(即结构的可靠性):承载能力、耐久性及服役状态;

(2)诊断技术(即定量地掌握结构状态):承载状态,损伤和性能劣化;分析原因,预测发展;进而评估其可靠性、剩余寿命以及维修更换等。

诊断技术,通常有两个层次:

初级诊断,现场人员实施简易的检测或现象观察;

精密诊断,专业人员进行有目标的深入检测、识别、分析,用于决策的诊断。二者相当于护士的诊断和专业医生的诊断[1]。

精密诊断技术的内容和方法可表述如图1

。

图1　精密诊断技术内容

对于超大型桥梁之类的重要项目,建立专门的健

康监测系统固然必要,但需要配置相应的专门设备和

专业人员,耗费巨资。对于一般分布于一个路段的若

干大桥,分路段建立巡诊,似乎更属可行和现实。

如高速公路的一个路段以管理公司为基础,构

建相应的检测平台,对其所有大型项目,进行定时的

周期诊断,并建立档案;若有异常再作精密诊断,作

出决策,这对确保结构安全,是必要的和恰当的。

目前存在的问题是:对于桥梁健康管理,还缺乏认

识;没有完善的办法、机构和相应的规程、评定标准。

1.2　修复工程

所谓修复工程,即凡是为结构性能劣化、损伤以

及功能改造等而采取的工程措施,均称修复工程。显

然,它包括所谓灾害救治、旧桥加固、损伤修复、劣化

更换等;无论是新桥或旧桥的损伤,乃至设计、施工

事故的救治等,均属修复工程。譬如,中下承式拱桥

的吊杆拆换、斜拉桥换索;梁、拱加固,损伤补强体系

改造等。

修复技术,包括预应力技术、点的应力补强技

术、体系改造技术、组合结构技术等。

修复与新桥设计不一样,涉及结构剩余寿命、材

料性能劣化预测,组合结构的荷载行为,介面理论

等。简言之,修复工程的设计理论、设计准则、设计判

据、工艺条件、再服役的维护等均不相同。目前,关于

桥梁的修复,多沿袭新建桥梁的设计理论、方法和标

准,以此认识评判和处理桥梁的修复问题,就值得商

榷了。

2　新龙坳中承式提篮拱桥吊杆的健康诊断

四川省成渝高速公路内江新龙坳提篮拱桥(图

2),主跨计算跨径l=120m,拱度f/l=1/4,拱肋展

开角 =12°,桥宽22m,上部为钢管混凝土劲性骨

架R.C箱肋拱;P.C横梁与R.C桥道板固结,组成

桥道系。1994年7月建成,现已服役8年。

早在1989年,该桥在国内首次采用了交叉双吊

杆可拆换的吊杆布置,进而在1993年研究设计者在

四川省洪雅洪州大桥的设计中又采用了平行双吊杆,

可拆卸的连接器构造,使换索成为可能和更加方便。

吊杆系统为121 5mm高强钢丝,冷铸镦头锚,

P.E防护,吊杆位于拱平面内。每一横梁端部的两

根吊杆,互成45°角,为网状布置。

2.1　吊杆健康诊断的目的

诊断的目的,在于探明吊杆的损伤、劣化以及剩

余寿命;提出养护或换索的建议;查明吊杆现实的荷

载内力分布并考查其安全储备等。

2.2　吊杆健康检测的内容和方法

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　2002年　第9期 汤国栋等:桥梁吊杆及拉索的健康诊断

图2　四川省成渝路新龙坳提篮拱桥

(1)吊杆的损伤检测

采用X射线透视拍片,查明吊杆钢丝的损伤部位、尺寸。

(2)吊具(锚头)的损伤检测

应用漏磁探伤技术,探查锚具浅表层的损伤。

(3)拱肋混凝土损伤裂纹及性能劣化检测

引用CT层析成相技术检测拱肋特征部位混凝土的损伤裂纹尺度及分布,计算机采集信号,加工成相输出。

(4)混凝土的强度等级及其分布检测

检测混凝土强度等级及其分布。现场检测,记录信号,加工成相输出。

(5)吊杆的荷载响应检测

吊杆的荷载静动态行为检测,是健康检测中,除了损伤检测以外的另一重点。

包括吊杆的恒载内力,活载行车及刹车动内力及其振动模态,冲击系数等。应用CDM S数据采集系统,含传感器、变送器及磁盘实现。

(6)桥梁几何状态检测

即通常的标高、坐标及特征尺寸检测,以便分析其形变。

2.3　检测结果综述

(1)吊杆吊具的损伤状况

吊杆:受检吊杆无损伤。

锚头:除一个下锚头有局部“烂牙”外,其余均未见损伤。上锚头保养维护较好,表面无锈迹,光亮如初;下锚头防腐效果普遍较差,有锈迹,防护罩内有积水。

(2)拱肋混凝土损伤及性能劣化状况

宜宾侧拱肋和重庆端接近桥道处的下缘,有表面纵向裂纹,经CT成相检测,属保护层表层裂纹,未深入内部,其它截面亦相同。

(3)标高检测

标高检测,发现拱顶附近下挠15cm,L/4截面下挠20cm,变形后拱轴线突起,从而导致吊杆恒载内力大调整。

(4)吊杆的荷载行为

吊杆的恒载内力、活载内力,冲击系数等的检测成果汇总于图3。

考察图3,可得到以下要点。

恒载内力大调整

吊杆的恒载内力在桥道安装初期大致相等,相差一般为10%左右。8年后,恒载内力发生了剧烈变化:

最大恒载内力发生于拱顶最长吊杆(D11)s max g =1710.7kN;

最小恒载内力发生于靠近拱脚最短吊杆(D1′) s min g=72.2kN;

s max g/s min g≈23倍

平均恒载内力s-g=715kN

则　s max g/s-g=2.39倍

s min g/s-g=0.10倍

这是由于吊杆安装后,桥道板先期为简支,继而板端固结,浇筑桥面铺装,形成连续整体的桥道系;桥梁运营8年后,拱肋变形相对上突以及整体桥道的约束,造成吊杆受力随拱结构的变形而有增减变化。

活载动内力

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— 公 路 2002年　第9期　

图3　新龙坳桥吊杆荷载行为检测成果

试验采用车重20t,车速 =30km/h,测定行车吊杆的动内力。经相关换算得到车重28t(汽车-超20级重车后轴) =30km/h时的吊杆最大动内力(D10′、D1′)为s max p=105.00kN,最小动内力(D2′)为s min p=21.00kN。

两者比较s max p/s min p=5。

这样差异的规律性尚待进一步研究分析。

总计检测了8组长、短吊杆的动内力对比,结果如下:

短吊杆动内力大于长吊杆者有两组,即内江侧的D1—D10,及宜宾侧的D1′—D10′;

二者相等(或近似相等)者两组,即内江侧的D2—D10′及D2′—D10;

短吊杆动内力小于长吊杆者4组,即宜宾侧的D1—D10,D2—D10′及D2′—D10,及内江侧为D′—D10′。

应当注意到,用振频法测定内力,对于短吊杆相对精度较差。

冲击系数

总计检测的2×8根吊杆。其冲击系数最大值为1.67(内江侧D2′杆),最小值1.27(宜宾侧D1′),平均为1.465。

(5)安全系数

安全系数,应当包括两个含义:即吊杆承载能力的安全储备及吊杆的疲劳剩余寿命的安全裕度。

恒载安全系数

k g=N0/s max g

式中121 5mm高强钢丝吊杆的破断拉力N0 =3968kN,s max g=1710.7kN。

计及吊杆钢丝束的效率系数0.95后,

则恒载安全系数:k g=2.3。

恒载加活载动内力的安全系数

k g+p=N0/(s max g+s p)

式中s max g+s p=1710.7+86.8×4×0.7

=1951.5

则:k g+p=1.93

疲劳寿命安全因素

文献[2,10]指出,对于承受交变荷载的构件,其失效条件,既与荷载相对大小有关,又与循环次数有关,二者是相互独立的。

新龙坳桥,服役8年,行车达1000万辆(次),因无“标准疲劳设计荷载”,无法根据行车荷载谱计算应力谱,进而按Palmgr en-M iner准则,计算剩余寿命及疲劳安全系数。这将是未来的研究工作。

但若以BS5400第10篇,建议的近似估计[8],重车数为行车总数20%的大致预估,则新龙坳桥的疲劳寿命安全系数:

k N=0.2×107/2×106=1.0

已接近名义的疲劳寿命,而无安全富裕量了。这里取2×106为疲劳极限寿命。

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　2002年　第9期 汤国栋等:桥梁吊杆及拉索的健康诊断

3　检测结果的分析与讨论

根据检测结果及计算分析研究结构的安全性、剩余承载能力及寿命,得出如下诊断和评价。

3.1　吊杆的体系

工程实践和吊杆断损的事实,严酷地告诉人们,单吊杆体系,不利于换索,不具有破损安全性。对于现有的梁板式桥道系,一根吊杆失效,即导致桥道系垮塌,无安全余量。

即使对于整体桥道(如P.C单箱多室桥道梁),因吊杆拉断所产生的突然冲击[7,16],相当于原有恒载两倍的作用!

本桥采用的交叉网状吊杆,国外长达半个世纪的应用和研究成果表明,这种吊杆布置有利于换索,根据破损安全性原则,吊杆设计尚可进一步作体系改进。

3.2　吊杆的安全系数

吊杆的设计内力,似应计及桥道不平整而导致的实际冲击影响,冲击系数达1.27～1.67;计及钢丝束的效率系数0.95后,再参照斜拉桥取2.5的容许安全系数,或者参照悬索吊桥取钢丝极限强度的3.9(≈4)倍的安全系数是必需的;若按通常的未计及冲击系数等,则其安全系数(2.5或4)是虚假的。

吊杆设计,无论是否直接应用了疲劳断裂理论,都必须在构造或计算中考虑疲劳损伤因素,顾及疲劳寿命并计算其安全系数。对于承受循环荷载的结构,疲劳是主要破环形式。

对于既有吊杆的安全评价,更难脱离疲劳寿命安全系数。如前所述,仅计及疲劳强度的安全因素,是不全面的、虚假的和危险的。这一问题将另作论述。

3.3　换索问题

如本文的举例表明:吊杆(拉索)的服役年限仅3～16年,肯定低于桥梁设计时限(75年或更高)[10],换索势在必需;其次换索费用奇高,影响很大。因此吊杆拆换,应在新桥设计中预先完善地考虑。

锚具采用冷铸镦头锚,在目前情况下,似属必需。但可作进一步改进:如在拱或梁外设连接器,以方便换索。这在1999年建成的四川洪州大桥已经首次实践。目前连接器有两种作法:一种是埋入梁(或拱)内的为短钢丝束,其丝数为吊杆的1.5倍左右;另一种是梁(或拱)内埋入粗钢棒。前者疲劳断裂寿命较后者高数倍。

3.4　吊杆的健康诊断

对既有拱桥吊杆,由于历史的原因,设计者当时认识的局限性和相应建设技术尚不完备,因此存在隐患。必须进行定期检测、诊断,适时拆换,方能确保安全。

据初步的检测和调查表明,吊杆的安全隐患,不同程度地存在,有的还颇突出。

3.5　技术建设

如前所述,我国拱桥建设,堪称世界大国;同时若干设计、监控、维护的理论、规程、准则、判据、荷载标准等,还不完备。工程设计存在不足或隐患。鉴于工程中不断出现的问题,因此,急需而且认真地组织力量,加强研究及标准、规范的制定。

4　结语

本文意在提出问题,通过实例介绍结构健康、健康诊断、寿命预测等,在工程界已经或应该明确的概念。借此与同行交流、研究,以便在同一理念下思考问题。

(1)健康检测与诊断和通常的应变观测、变形检测,具有本质的差异:二者的内容不同,深度不同,目的不同,甚至部位也不同。健康检测的目的在于诊断,通过全面检测、试验、分析,得出健康评价和修复意见。

(2)健康检测分析具有难度:对于桥梁结构的总体作健康诊断是困难的,目前几乎不可能;对于结构的某一构件(如吊杆、梁、拱、墩等)或部位,作检测诊断,在目前的条件下应是可以逐步实现的。重要的在于两个方面,一是检测设备和人才的建设;二是计算分析手段的建设,包括分析理论及其软件。

(3)技术建设,规范、标准、准则、判据等需要加强研究,逐步形成;既有桥梁的健康评价,以现有的“设计规范”作为唯一的评判标准,似欠妥当。

(4)工程设计的计算多是建立在结构理论分析的假定(如平面假定)基础上的“名义计算”(如名义应力等),或等代计算值(如剪力滞效应与有效宽度等)此其一;

其二,工程设计的计算,是一种“控制计算”,设计准则是不等式,即计算效应小于最多等于安全判据的一个范围。

然而,结构检测中所测取的效应(如应变),则是被检点“真实确定的效应”,包括实际存在的非线性因素(如E≠const等),环境(如温度)因素,以及成倍的应力集中等。

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— 公 路 2002年　第9期　

　文章编号:0451-0712(2002)09-0041-03 中图分类号:U448.142 文献标识码:B

特大型设备通过高速公路桥梁的验算与加固

廖济柙

(河北省石安高速公路管理处　石家庄市　050000)

摘　要:针对石安高速公路管理处承担运输邯峰电厂工程“邯峰定子”的任务,在实践过程中,根据运输方案,进行了桥梁验算,并对加固方案、预压试验及程序进行了介绍。对今后运输类似特大型设备有一定的参考价值。

关键词:运输;大型设备;桥梁验算;加固

随着我国现代工业建设的发展,由公路运输特大、特重型工业设备已日趋频繁。而装载这些设备的车辆往往成为超重车辆,超重车辆又需要从现有桥梁上通过。1999年国庆节期间,国家重点工程邯峰电厂发电机定子特大型设备顺利通过了河北省石安高速公路沙河至马头段,途径田村1号大桥、名河特大桥和支漳河特大桥,全程50km。为了保证桥梁的安全,根据运输方案对通过的3座桥梁进行了验算(包括桥梁上、下部构造的安全性验算),并根据验算结果对连续梁边跨进行了适当加固。现将有关过程叙述如下。

1　工程概况

石安高速公路全线桥涵车辆设计荷载: 计算荷载:汽车—超20级; 验算荷载:挂车—120。

田村1号大桥位于K407+450处,上部构造为10孔20m跨径预应力混凝土简支空心板梁桥;下部构造为三柱式桥墩,三柱式桥台,钻孔灌注桩基础。

名河特大桥位于K421+060处,上部构造为18

收稿日期:2002-08-05

因此,对工程计算与检测效应,不加分析地盲目比较,是欠妥当的,据此得出的评判结论,就值得商榷了。

(5)展望结构健康诊断,任重道远。工程实践严酷地提出了这一任务,把工程结构科学技术,推向了更高的层次和更新的领域。

它山之石可以攻玉,向相近学科学习,向发达国家借鉴,是切实可行的途径之一。“结构健康诊断”也是由此引入土木工程的。

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