国道316线洪塘大桥结构检测与状态评估

国道316线洪塘大桥结构检测与状态评估

郑振,黄铖

(福州大学土木建筑工程学院,福建福州　350002)

摘要:介绍了福州洪塘大桥的主桥三角桁架下承式T 型刚构荷载试验和全桥裂缝、预应力体外索索力、全

桥性变位、墩基础深层土体位移定期观测结果,对大桥的工作状态作出分析和评定.

关键词:洪塘大桥;T 型刚构;检测;评估

中图分类号:U448.27文献标识码:A

Defeat detection and assessment for H ongtang B ridge in N o.316N ational H ighw ay

ZHE NG Zhen ,H UANG Cheng

(C ollege of Civil Engineering and Architectures ,Fuzhou University ,Fuzhou ,Fujian 35002,China )

Abstract :H ongtang Bridge in Fuzhou is a large -scale bridge in No.

316National Highway.It had ap 2

peared to harm and the dangerous factors as a result of the long -term traffic transportation.The paper

describes the contents of a quiescent load and racking load test for T -frame under the main bridge trian 2

gle truss and the periodic observation of the crack ,the PC cable forces ,the holistic change site of bridge

and the displacement of deep s oil of piles for H ongtang Bridge.Based on these studies ,the analysis and

evaluation for carrying capacity for H ongtang Bridge is presented.

K eyw ords :H ongtang Bridge ;T -frame ;detection ;assessment

国道316线洪塘大桥位于福州市西大门,于1990年12月竣工通车,是通往闽北地区的重要通道.大桥全长1849.47m ,桥面宽为行车道9.0m +人行道2×1.5m ,桥跨主孔为60m +120m +60m 的预应力混凝土三角桁架下承式T 型刚构,靠福州岸由1孔钢筋混凝土简支T 梁和5孔预应力混凝土简支T 梁组成,靠闽候岸由6联预应力混凝土连续箱梁和8孔25m 预应力混凝土简支T 梁组成,桥梁外观见

图1.大桥的设计荷载为汽-20,挂-100,采用挂车-120居中行驶验算,人群荷载3.5kN Πm 2.

图1　洪塘大桥外观图

Fig.1　The picture of H ongtang Bridge

随着时间的推移,由于车辆密度的增加与重载的反复通行,大桥出现了严重的病害.主孔剪力铰、拉压支座构件受到严重的损坏,危及桥梁的安全使用.1999年底对大桥进行半封闭交通管制(禁止2t 以上机动车辆通行),2000年10月26日至11月4日对大桥进行全封闭交通维修加固,11月5日全面开放通车.为了检验桥梁主孔剪力铰、拉压支座应急修复后的工作状况,确定大桥结构是否满足正常使用

收稿日期:2002-09-24

作者简介:郑振(1956-),男,教授.

第31卷第2期

福州大学学报(自然科学版)V ol.31N o.22003年4月Journal of Fuzhou University (Natural Science )Apr.2003

要求,对桥梁主孔结构进行静、动力试验1)和对全桥进行为期一年的定期观测2).本文介绍该桥结构检

测的内容、检测结果及其工作状态的分析和评定.

1　检测评估的内容、方法和依据

1.1　检测内容及方法

1)静力荷载试验.根据大型有限元分析计算程序S AP 建模计算结果,采用8辆红岩牌载重汽车(前轴重100kN ,后轴重200kN )模拟《公路桥涵设计通用规范》设计荷载汽-20,挂-100进行等代荷载试验.各加载工况经优化合并后,对应各加载试验项目的静力荷载试验效率系数都接近1.0,满足《公路旧桥承载能力鉴定方法》的要求.

2)动力荷载试验.采用两辆红岩牌载重汽车(单车重分别为200kN 和300kN ),分别以不同速度通过桥梁结构,测试桥跨结构在运行车辆荷载作用下的动力反应.

3)自振特性测试.采用环境随机振动法在桥面和上下游桁架上布置水平和垂直拾振器测定桥跨结构由于桥址处风荷载、地脉动、水流等随机荷载激励引起的微幅振动响应,以分析结构的自振特性.

4)连续箱梁裂缝观测、主孔三角桁架T 型刚构V 肢薄壁墩裂缝观测和靠福州岸第一跨和第三跨简支梁裂缝观测.采用刻度放大镜观测宽度和钢卷尺观测长度.

5)对连续箱梁无粘结预应力体外索进行索力检测.连续箱梁索力观测应用频谱法[1]来测试预应力

索的索力,即通过测试索的自振频率f 来换算成索的张力T .其理论依据是假定索的两端为铰支且忽略索的抗弯刚度EI ,则张紧的索即为理想的弦,此时由索的平衡方程EI 54y 5x 4-T 52y 5x 2+m 52y t

2=0可得索力的计算公式为:T =4mL 2f n Πn 2.其中:m 为索单位长度的质量,L 为索的长度,n 为索自振频率的

图2　测点布置平面图

Fig.2　The lay of testing point 阶数,f n 为索的第n 阶自振频率.预应力索的自振频率采用

北京东方振动与噪声技术研究所生产的INV306智能信号自

动采集处理和分析系统进行采集.

6)全桥性变位检测,主要包括测量全桥性横向变位和

测量全桥性纵向变位.采用全站仪及精密水准仪观测全桥

变位.

7)福州侧高填方桥墩基础深层土体位移观测.按图2所示位置布置A 、B 、C 三个观测点,A 点(孔)与B 点(孔)

观测深度为33.50-35.50m ,C 点(孔)的观测深度为30.5

m.按照深层位移(测斜)、量测工作的相关操作规程和技术

标准与规定,完成钻孔、测斜管埋设以及监测点的保护台砌筑设置和测斜仪的调试校验率定工作后,进行了为期一

年的观测.

1.2　分析评定依据

1)洪塘大桥的档案资料,包括设计、施工、毁坏、维修加固以及运营情况记录.

2)公路旧桥承载力鉴定试验方法.

3)大跨径混凝土桥梁的试验方法.

4)公路养护技术规范.

5)公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范.

6)公路桥涵设计通用规范.

1)福建省交通科学研究所.福州洪塘大桥试验检测报告(内部资料).福州:2000.

2)福州大学科技开发总公司土木工程技术开发部.福州市洪塘大桥定期观测报告(内部资料).福州:2002.・291・福州大学学报(自然科学版)

第31卷

2　检测结果与分析

2.1　静力荷载试验

静力荷载试验实测的主孔T 构上下游两侧桁架顶部上弦杆和下弦杆的应变结构校验系数介于0.75-0.98和0.43-0.77之间;主孔T 构V 肢墩根部控制截面的应变结构校验系数介于0.72-0.91之间;主孔T 构靠剪力铰处两侧桁端上弦杆和腹杆的应变结构校验系数介于0.74-0.93之间;主孔T 构靠剪力铰处两侧桁端的竖向挠度结构校验系数介于0.70-0.94之间.静力荷载试验实测结果均能满足《公路旧桥承载力鉴定试验方法》规定的要求.

表1　T 型刚构动力特征表

　T ab.1　The dynamical character of T -frame 序号模态计算阶数f 实测ΠH z 振型110.551一阶竖弯22 1.227二阶竖弯33 2.308一阶竖弯4

4 3.430三阶竖弯5

5 3.849二阶竖弯2.2　自振特性测试和动力荷载试验利用脉动观测试验测得的桥跨结构测点结构响应信号进行FFT 分析,得出结构自振频率,结果列于

表1中.其中实测的桥跨结构一阶竖弯频率为0155

H z ,较S AP 有限元分析程序按单片桁架电算的0.23

H z 大的多[2].无障碍行车试验实测的桥跨结构控制

测点冲击系数值介于1.04-1.19之间,较设计取用值1.0略为偏高.

2.3　裂缝

2.3.1　连续箱梁裂缝

连续箱梁箱体内裂缝主要分布在支座上方的横隔板以及转向突出块上,基本上每个横隔板及转向突出块均有裂缝存在,大大小小裂缝合计将近150多条;而箱梁内部预制块拼装接缝通过一年来的仔细观测未发现拼装接缝有进一步发展的趋势.横隔板上裂缝一般为一至两条,基本上是从横隔板的倒角或中间开始,向顶板方向发展(如图3),大部缝均发展到顶板,一些裂缝甚至延伸进顶板.转向突出块的裂缝分布较密,基本上是以预应力孔道为中心呈现出放射状分布

(如图4).

图3　横隔板上裂缝分布图(单位:cm )

Fig.3

　The crack distributing of diaphragm 图4　转向突出块上裂缝分布图(单位:cm )Fig.4　The crack distributing of turning point

箱体内裂缝长度最长为192cm ,其中横隔板上裂缝长度大部分在50-70cm 之间,转向突出块的裂缝长度大部分在30-50cm 之间;箱体裂缝宽度最宽为0.74mm ,大部份裂缝宽度集中在0.10-0.30mm 之间(占裂缝总数的61%).

通过一年来的观测,各横隔板上以及转向突出块上没有发现新的裂缝,各裂缝长度没有发现有进一步发展的趋势,大部份裂缝宽度也没有明显的开展,但也有一些裂缝有进一步开展的趋势,其中最大的开展宽度为0.09mm ,发生在箱梁第5联的第3、4孔第九节预制段的端横隔板上.

2.3.2　T 构V 肢薄壁墩裂缝

两个薄壁墩墩身及V 肢均存在裂缝,这些在观测之前已作过修补,但2000年12月观测时发现又裂开,2001年1月及2月对墩身裂缝作修补,后来观测时发现部缝又重新裂开.薄壁墩墩身裂缝基本上都是通长的,即贯通墩身全高,裂缝宽度最大的为0.27mm ,其余大部缝宽度在0.1mm 以下;在・391・第2期郑振,等:国道316线洪塘大桥结构检测与状态评估

观测期间原有裂缝长度没有进一步发展,裂缝宽度也变化不大,但有发现若干条新的长度约为10-30cm 裂缝,新裂缝长度是否有可能继续发展,待进一步观测确定.

V 肢裂缝通过前几次的观测长度没有进一步发展,但观测发现有新的裂缝出现;V 肢裂缝宽度最大的为0.19mm ,其余大部缝宽度在0.1mm 以下,部缝有进一步开展趋势,发展最大的裂缝缝宽从2000年12月的0.05mm 发展至2001年2月的0.18mm.

2.3.3　简支梁裂缝

简支梁第一跨有较多裂缝,每一片梁均有裂缝,第三跨裂缝很少,仅在第二片梁及第五片梁各出现一条裂缝;简支梁裂缝宽度最大出现在第一跨第三片梁,宽度为0.24mm ,其余大部缝宽度在0.1mm 以下.

通过观测发现前几个月共有十几条裂缝长度有发展,到了2001年6月以后,裂缝长度均未发现有进一步发展的趋势.部缝宽度有进一步发展趋势,宽度变化最大的裂缝在第一跨第四片梁,宽度从2000年12月份的0.10mm 发展到2001年3月份的0.19mm.第一跨除了第二片梁外其余各片梁在2001年6月之前均有新的裂缝出现,第三跨各片梁一年来均未发现新的裂缝.

第一跨盖梁有发现两条裂缝,一条距下游外侧5.38m (第三片梁下),长度103cm ,分支长20cm ,最大缝宽0.59mm ;另一条距下游外侧5.26m (第三片梁下),长度109cm ;第一跨承台发现两条裂缝,其中一条距下游外侧2.10m ,长度74cm ,宽0.19mm ,向下贯通台身cm.

第三跨的各片T 梁底板发现有一定面积的混凝土剥落和露筋现象.如第三跨上游侧第四片T 梁底板在支座端部(靠闽侯向)处有50cm ×60cm 面积的混凝土剥落而且露筋;第三跨第二片T 梁底板在距支座端部(靠福州向)114cm 处有54cm ×14cm ×7cm 面积的混凝土剥落,同时发现该处支座变形.

2.4　索力

图5　索力测点布置图(单位:cm )Fig.5　The trsting point of the PC cable forces dimension

现场观测发现绝大部份预应力索的外包塑

料套管存在不同程度的脆裂、脱落,甚至部份

预应力筋外露.

索力测点布置见图5,现场测得的预应力

索各阶频率基本上是倍数关系,呈周期振动规

律,因此计算索力时采用第一阶频率(基频).

经由理式计算得出第一联第一孔1、2、3、

5、6、7号预应力索的索力为783kN ,第一联第

二孔1、2、3、4、5、6、7、8号预应力索的索力

为737kN.一年来共观测5次,各预应力索索

力没有发生变化.

2.5　全桥变位

从观测以来,桥梁横桥向的水平变位:桥梁T 构部分有向上游微移,靠福州向前两孔简支梁向下游移动2-2.5cm ;纵桥向水平变位:主孔三角桁架T 构部分移动较小,靠福州向前两孔简支梁向闽侯台移动2-3cm.桥梁垂直方向位移:靠福州向前两孔简支梁稍有下沉,主孔三角桁架T 构和连续箱梁部分的高程近似不变.

2.6　福州侧高填方墩基础深层土体位移

福州侧高填方墩基础深层土体存在一定规律性变化的侧向位移,位移方向与大桥轴线呈斜交,但整个位移的幅度(强度)和速率都很小,同时整个侧向位移随时间的收敛性明显.它反映了桥墩基础深层的加固支护处理的效果是较好的.

墩基础深层土体侧向位移与土层的类型、埋深及特性存在密切的相关性.侧向位移主要发生在埋深小于10-12m 以上的土体中,且主要发生在厚度较大强度较低的淤泥层或淤泥质粘土层上部段和填・491・福州大学学报(自然科学版)第31卷

土层中.

综合比较分析监测成果资料,显示了A 、B 、C 三点(孔)的深层土体侧向位移量和收敛性有差异,B 、C 两点(孔)的位移量很小且收敛性较好.A 点(孔)的位移量较大,且随时间的收敛性较差.这反映了,由于A 、B 、C 三点各自所处的围限临空状态不同,墩基础深层加固支护处理的效果是有明显差异的.

A 、

B 两点(孔)的深层(埋深小于12.0m 以上范围段)土体侧向位移在2001年10月和12月期间有较大幅度跳跃式波动增大.它与这一时期在桥墩附近实施大面积采砂、堆砂以及大吨位施工卡车频繁通行的现象有密切相关.

3　结论与建议

通过结构检测结果分析,对福州洪塘大桥的工作状况和承载能力有以下的几点认识.

1)在静力试验作用下,桥跨结构呈线性工作状态,主孔T 构桁架主要受力杆件的强度、竖向刚度和V 肢墩控制截面的强度能够满足现行规范的要求.但鉴于实测结构校验系数较高(大都在0.9以上),

建议该桥在今后的使用中应严格控制超限荷载通行[3].

2)脉动试验实测得的T 构桁架一阶竖弯自振频率和动力实验实测得的桥跨结构冲击系数,均较设计取用值偏高,这说明桥梁体系的实际刚度较设计刚度大,而运行车辆荷载在现行桥面状况下的冲击作用较设计假定大.因此,在条件许可时,应对现行桥面系加以改善.

3)连续箱梁横隔板及转向突出块的裂缝较多,且一部缝仍有进一步发展的趋势,因此应对裂缝进行修补并继续进行定期观测.

4)大桥主孔T 构薄壁墩墩身标号低,已有裂缝宽且长,已经影响大桥的承载能力和正常使用,建议进行加固,并继续对V 肢、薄壁墩裂缝和拉压支座、剪力铰进行定期观测.

5)福州台第一跨简支T 梁存在大量裂缝,最大的缝宽达0.24mm ,并还有进一步发展的趋势.根据《公路养护技术规范》中对桥梁技术状况评定标准及裂缝宽度限值的规定,该跨T 梁的承载能力已明显不足,危及通行安全.因此,在经费与封闭交通许可情况下,建议更换福州台第一跨T 梁或进行加固处理.

6)现场测试所得的预应力索索力783kN 和737kN ,与原设计单位提供的设计永存索力1024kN 相差较大.经分析认为,这除了可能与施工控制不精确和测试设备频率分辨率的影响有关,还与没有考虑预应力索刚度、计算索长时未适当计入预应力索在转向处固结长度以及材料的徐变量偏大有关.改检测内容的认定,正在申请交通部门的模型试验项目,进而分析与澄清该索力检测的结果.

7)由全桥变位观测结果可知,靠福州台二跨桥梁有一定的横桥向和纵桥向水平变位.此观测结果与墩台基础深层土体滑移观测结果吻合,应引起有关部门的注意.建议继续进行观测,在位移量增大造成支座错位前,就应封闭交通,避免重大事故发生.

8)墩基础深层土体侧向位移观测结果表明,由于桥墩附近大面积堆载作用和车辆高速密集通行的动载作用,桥台路基、桥墩周围振动剧烈.此外,填土层及厚度较大的淤泥软土层对动荷载的响应强烈,是否有共振效应问题应引起重视.因此,应控制桥墩附近的堆载行为和大吨位卡车的通行,并建议进行桥台和桥墩的场地抗震动反应分析工作.

参考文献:

[1]　郭良友,林一宁,李文波,等.武汉长江二桥的索力温度和应力测量[J ].桥梁建设,1995(5):44-48.

[2]　彭贻希.洪塘大桥三角桁架下承式T 型刚构荷载试验分析与评价[J ].福建交通科技,2001(3):35-37.

[3]　蒙云.桥梁加固与改造[M].重庆:重庆大学出版社,19.・591・第2期郑振,等:国道316线洪塘大桥结构检测与状态评估