桥梁吊杆及拉索的健康诊断.pdf

文章编号!#$%&%()(*+&,-&$中图分类号!.#,/,-文献标识码!0桥梁吊杆及拉索的健康诊断汤国栋%1杨弘(1朱正刚,1陈兵%1梁利辉#)%/四川大学成都市-%2(/重庆市政设计研究院2,/重庆大学重庆市#2#/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1阐述了健康诊断的含义和诊断实例1进而对拱桥吊杆的若干问题1表达了研究见解3关键词!拱桥2吊杆2健康诊断拱桥吊杆在结构功能4结构构造及荷载行为上1与斜拉桥的拉索1具有很大的相似性和互通性3这里的论述以拱桥吊杆为主1同时在若干方面二者都将涉及3我国是一个桥梁大国1因此既有的桥梁吊杆及拉索的安全性怎样1存在什么隐患2应该如何养护4监控2吊杆设计中存在哪些问题等等1应引起充分重视3在这一形势的驱动下1对中4下承式拱桥进行了初步调查!全国带吊杆的拱桥总数达 座以上1四川省及重庆地区占了,座左右2其中多为平行单吊杆体系2早期以采用简单的5/6夹片锚具为主1最近逐渐采用了镦头类锚具)78 9:*3吊杆4斜缆断损和换索的事例1国内外均不罕见;%-?8 A B C DE F G H B A I桥1建成,年后换索1耗资-万美元1为原造价的#倍2美国5 B F J K=L C C L M8 J N桥1建成仅,O$年1拉索失效拆换1原计划寿命为($年2著名的委内瑞拉PB A B J B 8 桥1使用%-年后1斜缆失效1全部换索1耗资达$万美元2广州海印斜拉桥1使用-年后部分换索2山东济南黄河桥1建成%,年后换索2四川宜宾南门中承式Q/6肋拱桥1使用%年后换索3无论斜拉桥和带吊杆的拱桥1换索费用都在原桥总造价的一倍以上1为原吊杆造价的数十倍2工程实例表明1拉索4吊杆的寿命一般仅,O%-年3严峻的事例1使人们对以下问题提出了质疑!吊杆的荷载行为4破损原因1以及设计准则1可靠性判据1适用规范等2吊杆的布置4构造4防护及拆换2既有拱桥吊杆的健康检测4诊断4剩余寿命2确保大桥安全服役的健康监控3考察发达国家和地区1关于中)下*承式拱桥及吊杆体系已有相当长时间和较深入的研究和实践3(世纪R 年代1日本在跨径为-O%:1乃至(:左右的桥梁1广泛使用中)下*承式提篮拱1其中R S以上为交叉的双吊杆1即使少量采用平行吊杆1也是双吊杆2平行单吊杆几乎没有3对此1挪威4德国以及前苏联;%-+!#结构健康!即结构的可靠性#$承载能力%耐久性及服役状态&!#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*+)精密诊断技术的内容和方法可表述如图)图,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$对于桥梁健康管理(还缺乏认识&没有完善的办法%机构和相应的规程%评定标准),-.修复工程所谓修复工程(即凡是为结构性能劣化%损伤以及功能改造等而采取的工程措施(均称修复工程)显然(它包括所谓灾害救治%旧桥加固%损伤修复%劣化更换等&无论是新桥或旧桥的损伤(乃至设计%施工事故的救治等(均属修复工程)譬如(中下承式拱桥的吊杆拆换%斜拉桥换索&梁%拱加固(损伤补强体系改造等)修复技术(包括预应力技术%点的应力补强技术%体系改造技术%组合结构技术等)修复与新桥设计不一样(涉及结构剩余寿命%材料性能劣化预测(组合结构的荷载行为(介面理论等)简言之(修复工程的设计理论%设计准则%设计判据%工艺条件%再服役的维护等均不相同)目前(关于桥梁的修复(多沿袭新建桥梁的设计理论%方法和标准(以此认识评判和处理桥梁的修复问题(就值得商榷了).新龙坳中承式提篮拱桥吊杆的健康诊断四川省成渝高速公路内江新龙坳提篮拱桥!图#(主跨计算跨径/0 12(拱度3 4/0 4 5(拱肋展开角6 0 7(桥宽 2(上部为钢管混凝土劲性骨架8-9箱肋拱&:-9横梁与8-9桥道板固结(组成桥道系);5年年研究设计者在四川省洪雅洪州大桥的设计中又采用了平行双吊杆(可拆卸的连接器构造(使换索成为可能和更加方便)吊杆系统为?22高强钢丝(冷铸镦头锚(:-A防护(吊杆位于拱平面内)每一横梁端部的两根吊杆(互成5 7角(为网状布置).-,吊杆健康诊断的目的诊断的目的(在于探明吊杆的损伤%劣化以及剩余寿命&提出养护或换索的建议&查明吊杆现实的荷载内力分布并考查其安全储备等).-.吊杆健康检测的内容和方法BB 1 1 年第;期汤国栋等$CC C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C桥梁吊杆及拉索的健康诊断图!四川省成渝路新龙坳提篮拱桥#$吊杆的损伤检测采用%射线透视拍片&查明吊杆钢丝的损伤部位尺寸()$吊具锚头$的损伤检测应用漏磁探伤技术&探查锚具浅表层的损伤(*$拱肋混凝土损伤裂纹及性能劣化检测引用+,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(-$混凝土的强度等级及其分布检测检测混凝土强度等级及其分布(现场检测&记录信号&加工成相输出(.$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+/01数据采集系统&含传感器变送器及磁盘实现(2$桥梁几何状态检测即通常的标高坐标及特征尺寸检测&以便分析其形变(!3 4检测结果综述#$吊杆吊具的损伤状况5吊杆6受检吊杆无损伤(7锚头6除一个下锚头有局部8烂牙9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()$拱肋混凝土损伤及性能劣化状况宜宾侧拱肋和重庆端接近桥道处的下缘&有表面纵向裂纹&经+,成相检测&属保护层表层裂纹&未深入内部&其它截面亦相同(*$标高检测标高检测&发现拱顶附近下挠#.;-截面下挠)?;&变形后拱轴线突起&从而导致吊杆恒载内力大调整(-$吊杆的荷载行为吊杆的恒载内力活载内力&冲击系数等的检测成果汇总于图*(考察图*&可得到以下要点(5恒载内力大调整吊杆的恒载内力在桥道安装初期大致相等&相差一般为#?左右(A年后&恒载内力发生了剧烈变化6最大恒载内力发生于拱顶最长吊杆 B#$CD EFG#H#?I HJ K:最小恒载内力发生于靠近拱脚最短吊杆 B#L$CM NFGH)I)J K:C CM NFO)*倍平均恒载内力CPFGH#.J K则C CPFG)I*Q倍C CPFG?I#?倍这是由于吊杆安装后&桥道板先期为简支&继而板端固结&浇筑桥面铺装&形成连续整体的桥道系:桥梁运营A年后&拱肋变形相对上突以及整体桥道的约束&造成吊杆受力随拱结构的变形而有增减变化(7活载动内力RA*R公路)?)年第QSS S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S期图!新龙坳桥吊杆荷载行为检测成果试验采用车重#$%车速&(#)*+,%测定行车吊杆的动内力-经相关换算得到车重.$/汽车0超#级重车后轴1&(#)*+,时的吊杆最大动内力/23#4 5 23 4 1为6*7 89 3#:;#)9 3;#)9:-这样差异的规律性尚待进一步研究分析-总计检测了.组长5短吊杆的动内力对比%结果如下?短吊杆动内力大于长吊杆者有两组%即内江侧的23 23#%及宜宾侧的23 4 23#4 A二 者相等/或近似相等1者两组%即内江侧的2 23#4及2 4 23#A短吊杆动内力小于长吊杆者B组%即宜宾侧的23 23#%2 23#4及2 4 23#%及 内 江 侧 为24 23#4-应当注意到%用振频法测定内力%对于短吊杆相对精度较差-C冲击系数总计检测的 D.根吊杆-其冲击系数最大值为3;E F/内江侧2 4杆1%最小值3;F/宜宾侧23 4 1%平均为3;B E:-/:1安全系数安全系数%应当包括两个含义?即吊杆承载能力的安全储备及吊杆的疲劳剩余寿命的安全裕度-G恒载安全系数HIJ#+6*7 8I式中3 3 K:*高强钢丝吊杆的破断拉力J#(L E.)%6*7 8I3F 3#;F)X Y=W V准则%计算剩余寿命及疲劳安全系数-这将是未来的研究工作-但若以Z :B#第3#篇%建议的近似估计O.P%重车数为行车总数#的大致预估%则新龙坳桥的疲劳寿命安全系数?HJ#;D3#F+D3#E3;#已接近名义的疲劳寿命%而无安全富裕量了-这里取 D3#E为疲劳极限寿命-L(#年第L期汤国栋等?桥梁吊杆及拉索的健康诊断!检测结果的分析与讨论根据检测结果及计算分析研究结构的安全性剩余承载能力及寿命#得出如下诊断和评价$!%&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(%)单箱多室桥道梁*#因吊杆拉断所产生的突然冲击+,#-./#相当于原有恒载两倍的作用0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$!%1吊杆的安全系数吊杆的设计内力#似应计及桥道不平整而导致的实际冲击影响#冲击系数达-%2,3-%.,4计及钢丝束的效率系数5%6 7后#再参照斜拉桥取2%7的容许安全系数#或者参照悬索吊桥取钢丝极限强度的8%6 9:*倍的安全系数是必需的4若按通常的未计及冲击系数等#则其安全系数 2%7或:*是虚假的$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$!%!换索问题如本文的举例表明;吊杆拉索*的服役年限仅83-.年#肯 定 低 于 桥 梁 设 计 时 限,7年 或 更高*+-5/#换索势在必需4其次换索费用奇高#影响很大$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$这在-6 6 6年建成的四川洪州大桥已经首次实践$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-%7倍左右4另一种是梁或拱*内埋入粗钢棒$前者疲劳断裂寿命较后者高数倍$!%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$!%=技术建设如前所述#我国拱桥建设#堪称世界大国4同时若干设计监控维护的理论规程准则判据荷载标准等#还不完备$工程设计存在不足或隐患$鉴于工程中不断出现的问题#因此#急需而且认真地组织力量#加强研究及标准规范的制定$设计规范?作为唯一的评判标准#似欠妥当$:*工程设计的计算多是建立在结构理论分析的假定如平面假定*基础上的名义计算?如名义应力等*#或等代计算值如剪力滞效应与有效宽度等*此其一4其二#工程设计的计算#是一种控制计算?#设计准则是不等式#即计算效应小于最多等于安全判据的一个范围$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 AB C D E F等*#环境如温度*因素#以及成倍的应力集中等$G5:G公路2 5 5 2年第6HH H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H期文章编号!#$%&%()(*+&#%&,中图分类号!-#./%#(文献标识码!0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$*摘要!针对石安高速公路管理处承担运输邯峰电厂工程1邯峰定子2的任务3在实践过程中3根据运输方案3进行了桥梁验算3并对加固方案4预压试验及程序进行了介绍5对今后运输类似特大型设备有一定的参考价值5关键词!运输6大型设备6桥梁验算6加固随着我国现代工业建设的发展3由公路运输特大4特重型工业设备已日趋频繁5而装载这些设备的车辆往往成为超重车辆3超重车辆又需要从现有桥梁上通过5%+年国庆节期间3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3途径田村%号大桥4名河特大桥和支漳河特大桥3全程$7 85为了保证桥梁的安全3根据运输方案对通过的,座桥梁进行了验算)包括桥梁上4下部构造的安全性验算*3并根据验算结果对连续梁边跨进行了适当加固5现将有关过程叙述如下59工程概况石安高速公路全线桥涵车辆设计荷载!:计算荷载!汽车;超(级6#$处3上部构造为%孔(8跨径预应力混凝土简支空心板梁桥6下部构造为三柱式桥墩3三柱式桥台3钻孔灌注桩基础5名河特大桥位于=#(%?处3上部构造为%.收稿日期!(&.&$因此3对工程计算与检测效应3不加分析地盲目比较3是欠妥当的3据此得出的评判结论3就值得商榷了5)$*展望结构健康诊断3任重道远5工程实践严酷地提出了这一任务3把工程结构科学技术3推向了更高的层次和更新的领域5它山之石可以攻玉3向相近学科学习3向发达国家借鉴3是切实可行的途径之一5 1结构健康诊断2也是由此引入土木工程的5参考文献!A%BC D E E F G D H H I J IKI LM G N F O P G F EQ F R E HS P F T O D U P UF O VC D O V P H P D O LD O P H D W P O TC N F X 8F O F O VYF E E IZ D O V D O!%+IA(B 0D T V F O R 8F O D P G I P G N D E F U _P E E M 8U I H M M ES M U P T Oa D W H W R G H R W F E b O T P O M M W U I-I I KI%+IA,B c M W Id M P H I网式拱桥研究I%+.IA#B刘钊3吕志涛I竖吊杆与斜吊杆系杆拱结构的桥式研究I土木工程学报3(IA$B项海帆3等I高等桥梁结构理论I人民交通出版社3(IA?B钟群鹏3等I断裂失效的概率分析和评估基础I北京航空航天大学出版社3(IA B范钦珊3等I工程力学教程)e*I高等教育出版社3%+.IA.B钱冬生I钢桥疲劳设计I西南交通大学出版社3%+.?IA+B J D fJ 3C W F P T 3g W I结构动力学)中译本*I人民交通出版社3%+?IA%B KK Yd I美国公路桥梁设计规范;荷载与抗力系数法)中译本*I人民交通出版社3%+.IA%B应怀樵等I现代结构振动与噪声技术)第(卷*I航空工业出版社3(IA%(B严似松等I海浪工程设计基础I海洋出版社3%+.IA%,B 0 M F W V UC IQ I著3朱世杰等译I结构振动分析I中国铁道出版社3%+.IA%#Bh I i I j k l m n o p q rs t o k u t m n v p t wx k v m n yh r y q z q l q o|q v y q r I q v p r k!l k o v#q l y$I%+?IA%$B王文涛I斜拉桥的换索工程I人民交通出版社3%+IA%?B汤国栋等I拱桥吊杆的安全忧虑与对策I第一届全国公路科技创新高层论坛论文集I外文出版社3(I公路(年+月第+期Y%&Y_K M X/(D(/+