兰重公路关头坝悬索桥检测技术

艾璇

【摘 要】兰重公路（国道212线）关头坝悬索桥位于甘肃省文县境内，于1989年9月建成通车，5.12汶川地震对大桥产生了十分不利的影响，极大地增加了桥梁安全的不确定性。通过对大桥的动、静载试验和线性测试，获得了相关的技术参数。在分析试验结果，并将之与理论计算相对比的基础上，客观地评价了桥梁在营运20多年后的健康状况。进而，提出了桥梁的管养建议。

【关键词】关头坝大桥 悬索桥 试验 检测

1 概述

1.1 桥梁概况

关头坝大桥地处甘肃文县境内，于1989年9月建成通车，是兰重公路（国道212线）跨越白龙江的一座重要桥梁。桥梁原设计桩号为K658+700，现养护桩号为K639+678。桥梁正交，全长213.11m，桥宽净-7+2×0.25m。大桥主跨为1-180m有加劲梁（钢桁架）双链式悬索桥，兰州岸引桥为1-8.0m钢筋混凝土板桥，重庆岸引桥为1-16m少筋微弯板组合梁桥。大桥采用钢筋混凝土门式索塔，双柱式桥墩，扩大基础；地基持力层为千枚岩层。基底至塔顶全高49.27m，其中塔高23.27m；塔柱中距为9.32m。兰州岸采用隧洞式地锚，锚锭由承托板伸入基岩凿成的锚洞；重庆岸锚锭为一般混凝土重力式锚锭。桥梁设计荷载：汽车-20级，挂车-100级。

桥梁采用的钢材：型钢及主桁架节点为16Mn钢，其余为35号铸钢、35号和5号锻钢及A3钢；全桥主索共四束，上下链各两束，均采用Ф45的7×19的高强度钢丝绳，其公称抗拉强度为150Kgf/mm2；上链吊杆为7×19Ф30的单根钢丝绳，下链吊杆为7×19Ф42的单根钢丝绳，吊杆并列、平行设置，间距70cm；直径12mm及以上的钢筋采用Ⅱ级钢筋，其余均为Ⅰ级钢筋；主桁架及吊杆连接的螺栓为高强螺栓，其螺栓、螺母和垫圈的型式、尺寸及技术条件以GB1228～1231-76为准，材质为45#优质碳素钢。主跨行车道板为300#钢筋混凝土，桥面铺装为250#防水混凝土，锚锭承托板、碧口岸引桥主梁和微弯板为250#混凝土；桥台、基础及碧口岸锚锭为150#混凝土，其余构件均采用200#混凝土。

1.2 桥位处自然地理概况

关头坝大桥地处文县中东部，与白龙江、白水江两江交汇口相距约200米，下游1公里处即为文县四大雄关之一——“秦蜀咽喉”——玉垒关所在。桥位处属西秦岭岷山山系，为典型的中高山地和河川谷地地貌。桥位周边的玉垒、碧口等乡镇，属南北过渡性北亚热带湿润气候区。区域内四季分明，年平均气温15℃左右，气温变化较小，昼夜温差不大。多年平均降水量在800～900mm之间，单日最大降水量166.1mm，降雨多集中在6～9月。多雨、潮湿的自然环境，对大桥的防锈蚀工作带来极大的不利影响。

大桥设计地震设防烈度为Ⅵ度，未考虑地震力的影响。5.12汶川地震对文县的破坏程度很大，评估地震对大桥的不利影响，也是本次桥梁检测的主要任务之一。

2 大桥外观检查

桥面钢筋混凝土整体质量良好，防水层未见明显病害，抗滑构造的抗滑作用衰退不显著。主跨兰州岸伸缩缝钢板断裂、变形，重庆岸伸缩完好；扶手绳、栏杆绳未见伤痕。主跨两端梁（板）式边跨技术状况良好。加劲梁桁架钢构件质量尚可，未见变形或裂缝，但防锈漆有老化、剥落现象，个别角钢轻微锈蚀。构件连接完好，未见承压破坏或剪切破坏。兰州岸铰支座（固定支座）渗水痕迹明显，排水不良，环境潮湿，锈蚀较严重；重庆岸辊轴支座（可动支座）有积水现象，滚轴润滑油溢出，轻度锈蚀。主索线形完好，局部面漆有裂纹、起皮。吊杆齐全、无变形，部分有轻度锈蚀。索夹及连接件未见变形、松动，表层防护漆局部老化、起皮。塔顶索鞍未见结构性破坏，仅有局部防护漆老化。塔、墩体未见倾斜，结构尺寸完整，混凝土表面密实、光滑，未见“表面硬化”（碳化）现象。

3 荷载试验

3.1 动载试验

3.1.1 试验原理

采用脉动法实施桥梁动载试验。通过现场测试，采集、记录各测点对大地脉动（激励源）的响应信号，将采集到的信号数据进行传递函数、功率谱密度函数的数学分析，以此确定大桥结构固有的自振频率、振型等动力学特性参数。

3.1.2 试验结果分析

结构自振主要表征了结构刚度的大小。自振特性是影响悬索桥桥梁安全的直接因素，是车桥相互动力作用和抗震、抗风分析的重要指标。大桥实测纵、横向和扭转自振频率分别为0.685Hz、0.390Hz和1.560Hz；三个方向自振频率计算值分别为0.626Hz、0.262Hz和0.794Hz，结果表明大桥实际刚度较大，整体性能良好。

3.2 静载试验

3.2.1 试验原理

在桥梁的既定截面加载试验等效荷载，实测加载后加劲梁的挠度值，将结果与计算挠度值做比较，进而判断桥梁在荷载作用下的工作性能。本次桥梁检测，以2台车货总重30T的载重车辆为等效载重。

3.2.2 试验结果分析

在主跨跨中（弯矩、挠度最不利位置）和1/4L截面布置等效荷载，仅有一点处实测最大挠度值大于其计算值，即大桥主跨既有刚度基本满足使用要求。

4 主索及吊杆的线性测试

现场测定主索纵、横向的位移和吊杆倾角，运用数理统计的方法对检测结果进行分析；在此基础上，评估主要受力构件产生变形与位移后的安全性能。试验中，主索编号规则为：在公路横断面方向，由河流上游至下游依次编号1#主索、2#主索、3#主索和4#主索。

试验结果表明，1#主索与4#主索分别平均向重庆岸位移 5.26mm和6.94mm，位移均方差分别为1.38mm和0.87mm；2#主索与3#主索分别向兰州岸平均位移6.0mm和6.29mm，位移均方差分别为0.76mm和1.15mm。主索水平位移均方差较小，表征了大桥主索水平方向的位移较为均匀。同时，1#、2#、3#和4#主索分别平均向下位移15mm、14.2mm、15.68mm和16.32mm，位移均方差分别为5.65mm，5.46mm、5.93mm和6.17mm。主索竖向位移均方差较大，反映了大桥在营运20多年后，各截面的竖向位移值差异较大。

主索上的各吊杆，也随着主索的平面位移而倾斜，（倾角以按顺时针方向转动为正）。1#主索吊杆平均倾角为0.047°，均方差0.033°；2#主索吊杆平均倾角为-0.06°，均方差0.046°；3#主索吊杆平均倾角为-0.059°，均方差0.044°；4#主索吊杆平均倾角为0.069°，均方差0.0353°。吊杆倾角均方差很小，表明吊杆倾斜的程度比较均匀。

桥梁自重和车辆荷载长期作用所引起的主索松弛，是主索和吊杆位移的根本原因。

5 结语

综合分析大桥主跨试验检测结果，表明关头坝悬索桥主跨各主、次要部件及结构总体技术状况良好，实际刚度和承载能力亦尚能满足公路交通运输现状。同时表明，5.12汶川地震对大桥的影响不显著，桥梁各构件未发生明显的结构性损伤。

建议进一步加强桥梁的养护工作，确保桥梁各钢质部件的除锈、防腐工作及时、有效，做好桥面、支座的防水工作，及时清理、维修伸缩缝等部件，以有效延缓桥梁部件老化的速率，延长桥梁的使用寿命。同时，加大重载车辆的管理力度，严格控制超限车辆的通行，禁止车货总重超过55T的车辆上桥行驶。鉴于桥梁尚具有极其重要的战略意义，建议建立关头坝大桥变形和振动动态监测系统，实时反映桥梁的结构安全和营运安全信息。

致谢：本文在形成过程中，征引了兰州交通大学王起才教授及其研究团队的科研成果——《甘川公路关头坝悬索桥荷载试验报告》中的部分数据，在此向他们表示诚挚的感谢。

参考文献：

[1]交通运输部公路科学研究院.公路桥梁技术状况评定标准[M].北京：人民交通出版社，2011.

[2]陈开利，王邦楣，林亚超.桥梁工程鉴定与加固手册[M].北京：人民交通出版社，2005.