南盘江大桥结构检测和承载能力评估课件

1、南盘江大桥结构检测和承载能力评估上海同济建设工程质量检测站2008年7月 大桥概况悬索桥结构，主缆平行高强镀锌钢丝束（1997根5钢丝，直径240mm），岩锚；主跨240m，钢桁架加劲梁（234122.7m）全桥共39对吊杆（61根7钢丝）。钢筋混凝土桥面板和现浇层桥面混凝土。钢筋混凝土桥塔。设计荷载为汽车超20，挂120，人群荷载为3kN/m2。 1998年11月建成 2003年被判为危桥 并大修、加固 现单向通行开放交通 车辆过桥桥梁明显振动项目综述南盘江大桥静、动力计算实测静、动响应和特性参数线型测量索力、吊杆力 外观检查 无损检测承载能力评估桥梁技术状态评定桥梁寿命预估综合分析疲劳分析

2、静载试验自振特性测定动载试验交通量统计适用性安全性耐久性1 南盘江大桥竣工图1998.112 公路桥涵设计通用规范JTG D60-2004，1989版（合订本）3 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTG D62-20044 公路养护技术规范JTJ073-965 公路桥涵养护规范JTG H11-20046 公路旧桥承载能力鉴定方法(试行) 1988 北京7 钢结构设计规范GB50017-2003 8 参考文献： 交通部公路桥梁承载能力检测评定规程（送审稿）2004检测、评估标准和依据桥梁线型测量主缆索力和吊杆力测定外观检查和无损检测桥梁技术状态评估桥梁技术状态检测和评估桥梁线型测量 主缆

3、（L/8断面） 加劲梁（单侧392） 索塔（22塔） 吊杆倾斜（4组）桥梁技术状态检测和评估桥梁线型测量 加劲梁高程数据结果桥梁技术状态检测和评估桥梁线型测量 主缆高程数据结果桥梁技术状态检测和评估桥梁线型测量 索塔数据结果桥梁技术状态检测和评估 桥塔塔顶坐标测量结果（单位：m） 坐标 测点位置 X Y Z T1-1 -119.884 -0.074 23.959 T1-2 -119.897 -12.079 23.967 T2-1 119.761 -0.042 23.975 T2-2 119.758 -12.074 23.975 吊杆倾斜度测量结果（）坐标测点位置北侧南侧纵桥向横桥向纵桥向横桥向

4、5#吊杆1.450.091.21-0.1710#吊杆-1.050.19-1.830.2630#吊杆2.660.082.580.2835#吊杆-0.520.45-0.76-0.09桥梁线型测量 吊杆倾斜数据结果桥梁技术状态检测和评估2.主缆索力和吊杆力测定 主缆（22背索） 长吊杆（104）桥梁技术状态检测和评估桥梁技术状态检测和评估2.主缆索力和吊杆力测定 主缆（22背索）南盘江大桥悬索桥主缆直背索恒载索力（单位：kN）主缆位置贵州端广西端T2008年T设计值T2008年T设计值北侧20306.523545.9-13.823803.123545.91.1南侧26754.423545.913.6

5、22962.523545.9-2.5桥梁技术状态检测和评估2.主缆索力和吊杆力测定 长吊杆（104）南盘江大桥悬索桥吊杆恒载索力（单位：kN）吊杆编号北侧南侧T2008年设计值T2008年设计值1364.8342.46.5389.2342.413.72595.3358.366.1369.9358.33.23245.1357.7-31.5343.1357.7-4.14305.2357.5-14.6323.1357.5-9.65477.8357.733.6345.4357.7-3.435464.2357.729.8368.7357.73.136307.4357.5-14.0445.3357.524

6、.637341.1357.7-4.6325.1357.7-9.138463.1358.329.3411.1358.314.739377.2342.410.2368.5342.47.6桥梁技术状态检测和评估3.外观检查和无损检测 （1）主缆、吊杆和索鞍（2）钢桁架加劲梁（3）主塔（4）桥面系 检查方法和设备 以目测为主 测裂缝用显微镜、裂缝尺桥梁技术状态检测和评估3.外观检查和无损检测 （1）主缆、吊杆和索鞍 主缆涂料剥落 锚固区基本完好 个别吊杆损坏 个别吊杆损坏 锚固位置锈蚀 主索鞍锈蚀、螺栓缺失桥梁技术状态检测和评估3.外观检查和无损检测 （2）钢加劲梁（主桁）钢纵梁上、下桁架工字钢局部油

7、漆开裂、锈蚀纵梁上桁架大块油漆剥落、锈蚀 纵梁钢板拼接处垫板边缘锈蚀横梁与纵梁连接处锈蚀明显 横梁钢板翘曲、脱空严重横梁上桁架中间位置钢板焊接处锈蚀严重、钢板断裂横梁上桁架钢板锈蚀严重桥梁技术状态检测和评估3.外观检查和无损检测（2）钢加劲梁（横梁）桥梁技术状态检测和评估3.外观检查和无损检测 （2）钢加劲梁（节点螺母缺失）广西侧主塔混凝土破碎、露筋桥梁技术状态检测和评估3.外观检查和无损检测 （3）主塔贵州侧主塔表面网状裂缝 贵州侧主塔底部竖向裂缝桥梁技术状态检测和评估3.外观检查和无损检测 （4）桥面系（桥面板 ） 横梁间桥面板底面破碎 横梁间桥面板底面破碎桥梁技术状态检测和评估3.外观检

8、查和无损检测 （4）桥面系（桥面板 ） 桥面破碎、坑槽、露筋、坑槽铺装层横向裂缝 桥梁技术状态检测和评估结构构件状态描述（主要问题）等级评定总体评定加劲梁空间位置已发生变异，主桁高程纵桥向呈S形，高差较大；桥面横向存在高差。结构在车辆荷载下振动、摇晃，人感不适。重要部件有较多（10%以内）中等缺，次要部件有20%严重缺损，功能降低，进一步恶化将不利于重要部件，或影响正常交通。4主缆吊杆缆索主缆索力不均；结构构件涂层变色、剥离、膨胀面积达到1060。3鞍座组成各部件基本良好，个别螺栓松动、脱落。2锚碇组成各部件完好，个别螺栓松动、脱落。12吊杆吊杆力严重不均；结构构件涂层变色、剥离、膨胀面积在1

9、0以内，个别吊杆损坏。4吊杆锚固吊杆锚固处普遍锈蚀。3主塔表面存在多条裂缝，但缝宽小于限值。2加劲梁主桁空间位置已发生变异，主桁高程纵桥向呈S形，高差较大；桥面横向存在高差。结构构件涂层变色、剥离、膨胀、表面锈蚀面积达到1060。4横撑结构构件变形严重；涂层变色、剥离、膨胀、表面锈蚀面积达到10603节点个别构件有扭曲变形、损伤裂纹、严重锈蚀；主桁个别节点螺栓缺损严重。4桥面系铺装铺装层2060%表面局部破碎、深坑槽（坑槽深大于2cm）、波浪4伸缩缝基本完好，略有不平2栏杆3以内有开裂、锈蚀2排水设施排水设施基本完好无损14.南盘江大桥主桥技术状态评估静载试验 目的要求：通过测量桥梁在静力试验

10、荷载作用下的变形和内力，了解实际结构的工作行为和能力，从而对结构的刚度、强度和整体性能进行评价。针对本桥不同控制断面布置加载车辆（试验荷载）然后测量试验荷载作用下加劲梁的变形及加劲梁若干控制断面桁架的应力等。 采用原设计荷载控制试验加载，静力试验荷载效率系数0.9。 根据静力试验荷载效率要求及主要控制断面的设计内力计算结果，选用4辆 单车满载重300kN左右的载重车作加载车辆。静载试验试验荷载布置序号断面或杆件控制内力名称设计值加载值加载效率1跨中纵梁主桁下弦杆拉应力(MPa)86.3479.170.922四分点纵梁主桁下弦杆拉应力(MPa)101.0891.590.91静载试验测试内容应力：

11、跨中和四分点 两个控制断面挠度：全垮八分点断面静载试验测试内容北侧加劲梁纵梁八分点截面变形，南侧加劲梁纵梁四分点截面变形贵州端 广西端北侧测点南、北侧测点静载试验测试内容跨中、四分点截面附近南、北纵梁桁架和横梁应力广西端贵州端四分点截面横桁 1(7)2(8)4(10)3(9)5(11)6(12) 南（北）纵桁架北侧145610711南侧2389静载试验挠度结果跨中加载全桥挠曲线静载试验挠度结果四分点对称加载全桥挠曲线跨中偏心加载全桥挠曲线静载试验应力结果加劲梁钢桁架跨中截面应力（单位：MPa）测点号对称加载偏心加载计算值实测值计算值实测值纵梁桁架1（竖杆）1.44-1.250.620.082（

12、上弦）-73.87-63.75-29.19-23.143，4平均（斜杆）0.010.991.380.195，6平均（下弦）79.1678.9629.4730.947（竖杆）1.54-0.120.86-0.038（上弦）-73.87-67.97-47.21-42.899，10平均（斜杆）0.013.073.232.5711，12平均（下弦）79.1785.3949.3351.70横梁桁梁1（斜撑）-7.56-7.92-11.24-11.732，3平均（斜撑）-7.54-11.034.243.674，5平均（下横）38.9434.0214.2213.696，7平均（下横）27.3226.2818.

13、7617.46 1(7)2(8)4(10)3(9)5(11)6(12) 南（北）纵桁架北侧1234657南侧0.993.07静载试验应力结果加劲梁钢桁架四分点截面应力（单位：MPa） 1(7)2(8)4(10)3(9)5(11)6(12) 南（北）纵桁架测点号对称加载计算值实测值纵梁桁架1（竖杆）1.63-0.21 2（上弦）-87.01-73.99 3，4平均（斜杆）0.942.79 5，6平均（下弦）91.5893.91 7（竖杆）1.63-0.21 8（上弦）-87.00-77.20 9，10平均（斜杆）0.942.46 11，12平均（下弦）91.5993.48 横梁桁梁1（斜撑）26

14、.7924.86 2（下横）27.9029.30 3（斜撑）-13.89-12.75 4，5平均（斜撑）-13.80-13.90 6，7平均（下横）38.8029.49 8，9平均（斜撑）27.2428.00 10，11平均（下横）27.7227.56 北侧145610711南侧23892.792.46静载试验小结 静载试验结果与理论值比较： （1）挠度：校验系数0.760.89，整体挠曲线与计算一致。 （2）跨中截面应力：对称加载和偏心加载下，主要杆件（下弦杆）校验系 数大于1（1.08）。 （2）四分点截面应力：对称加载和偏心加载下，主要杆件（下弦杆）校验 系数大于1（1.05）。 以上情

15、况说明桥梁结构目前状态下整体刚度基本能够满足规程要求，但加 劲梁主要杆件的强度低于设计要求。结构动力特性测定（1）对理论计算得到的固有频率和振型进行校核，从而完善计算 有限元模型（2）获得大桥各阶振型阻尼比（理论计算无法得到）（3）桥梁在车辆荷载作用下的振动与 其结构本身自振特性有关，分析 “动载试验”中桥梁振动情况，研 究桥梁车致振动等都必须先了解 大桥结构的自振特性目的意义：结构动力特性测定采用环境随机振动法测定桥梁结构的竖向、侧向弯曲和扭转振动频率、振型和阻尼比。（在17各断面上布测点） 竖桥向侧桥向竖桥向结构动力特性测定实测功率谱例 结构动力特性测定数据结果阶次频率（Hz）实测阻尼比（

16、）振 型实测值理论值1210.3000.3410.3505.68(1.15)主梁一阶对称侧弯20.4000.3640.3696.35(0.39)主梁一阶反对称竖弯30.7500.7510.7692.06(1.01)主梁一阶对称扭转40.875/2.11(0.15)主梁一阶反对称侧弯50.9381.0891.1142.26(0.52)主梁二阶反对称竖弯61.3501.5811.6211.04(0.33)主梁二阶对称竖弯71.725/1.10(0.22)主梁二阶反对称侧弯81.7501.9922.0290.83(0.09)主梁二阶反对称扭转92.2632.7102.7861.24(0.19)主梁三

17、阶对称竖弯102.275/0.81(0.12)主梁三阶反对称侧弯112.4252.8262.8830.85(0.25)主梁三阶对称扭转122.788/0.79(0.19)主梁反对称侧弯133.325/0.61(0.09)主梁对称侧弯143.3383.3083.4050.72(0.12)主梁对称竖弯153.875/0.89(0.20)主梁对称侧弯结构动力特性测定小结 实测结构自振特性及与理论值比较，竖桥向各阶固有频率及振型吻 合得较好；其中大部分实测竖向振动频率小于理论计算值，说明实 际结构动力刚度略偏小。大桥侧向弯曲 和扭转振动频率与计算值基本一致。环 境振动下，大桥桥面各振型的阻尼比大 致介

18、于0.545.68%之间。 桥面系人行道板对结构自振特性的影 响不大。动载试验 桥梁在移动车辆荷载作用下产生的振动等动力反应：与桥梁及车辆的结构特性（质量、刚度、阻尼）有关。与桥梁和车辆两个振动系统相互作用、车行速度和桥面平整度有关。 移动车辆荷载作用下桥梁整体结构会随车辆一起产生某种程度的受迫 振动，一般大型悬索桥这种振动表现不会很明显，但南盘江大桥因为 结构体系相对较弱，车致振动问题就比较突出，具体表现为加劲梁随 车行进过程不时产生的较大动态反应。反映在结构抗力上，桥梁各构 件除承受静应力外，还将承受动应力，其中最不利的状态是最大静态 应力出现的同时发生较大的动态应力增量。动载试验主要内容

19、（1）实测、计算特定移动车辆荷载作用下主桥加劲梁控制断面、杆件 的应力动态响应，即最大静、动应力、应力时程曲线和应力动态 增量（放大系数）。（2）开放交通情况下，长时间（一昼夜）实测主桥加劲梁控制断面、 杆件的应力动态响应（主要是动应力时程曲线），为构件疲劳计 算和分析收集基本数据。（3）实测上述两种荷载作用下主跨的加速度（位移）响应。动载试验具体内容1）一辆重车分别以不同车速（10km/h30km/h）驶过桥面，记录 所有动应变和振动加速度响应时程信号。2）三辆重车（相互保持一定间距）依次 以10km/h驶过桥面，记录所有动应变 和振动加速度响应时程信号。3）桥梁开放交通情况下，长时间记录所

20、 有动应变和振动加速度响应时程信号。动载试验跨中断面车辆数车速(km/h)测试部位与测点编号应力峰值（MPa）应力动态放大系数（1+）110横梁斜杆1-8.541.04横梁下弦杆218.231.06纵梁上弦杆3-23.571.07纵梁斜杆410.351.06纵梁下弦杆527.181.0720横梁斜杆1-10.021.14横梁下弦杆219.681.13纵梁上弦杆3-24.421.10纵梁斜杆411.611.15纵梁下弦杆526.401.0530横梁斜杆1-5.961.03横梁下弦杆216.331.12纵梁上弦杆3-24.831.04纵梁斜杆411.141.14纵梁下弦杆528.121.06动载试

21、验跨中断面上弦斜杆下弦动载试验四分点断面车辆数车速(km/h)测试部位与测点编号应力峰值（MPa）应力动态放大系数（1+）110横梁斜杆1-12.521.14横梁下弦杆218.591.15纵梁上弦杆3-25.391.08纵梁斜杆410.491.11纵梁下弦杆528.361.0620横梁斜杆1-14.651.20横梁下弦杆220.281.20纵梁上弦杆3-24.551.05纵梁斜杆410.881.14纵梁下弦杆525.861.0430横梁斜杆1-8.961.05横梁下弦杆217.221.10纵梁上弦杆3-27.221.05纵梁斜杆410.521.12纵梁下弦杆529.371.03动载试验四分点断

22、面上弦斜杆下弦动载试验四分点断面加速度和位移响应车行情况最大加速度(cm/s2)动位移（mm)10km/h匀速13.51.92.920km/h匀速15.82.33.430km/h匀速18.52.72.8三辆试验车过桥20.22.6f=2.713Hz动载试验开放交通情况加速度响应谱阵加速度时域信号测点位置最大绝对值最大值最小值标准差竖向L/496.4 92.5 -96.4 7.08 竖向L/894.0 94.0 -87.6 5.63 竖向L/1696.8 92.7 -96.8 7.16 侧向L/410.7 10.7 -9.8 0.93 动载试验车桥耦合振动 对南盘江大桥进行车桥耦合振动模拟计算的

23、目的主要是考核结构计 算数值模型，并与动载试验的实测数据进行比较分析。单辆车加载情况下，理论分析结果和实测结果符合得很好，说明理论模型与实桥基本一致。三辆车加载时，实测值偏小于计算值，其中实测值在每辆车通过截面位置时一般都有明显的峰值，而计算值没有如此明显的峰值。估计与实际行车距离、位置存在误差，与桥面板的破损（造成的冲击）也不无关系。动载试验车桥耦合振动下弦杆动应力响应（一辆试验车辆以10km/h车速行驶过桥）动载试验车桥耦合振动斜杆动应力响应（一辆试验车辆以10km/h车速行驶过桥）动载试验车桥耦合振动下弦杆动应力响应（三辆试验车辆以10km/h车速行驶过桥）动载试验车桥耦合振动斜杆动应力

24、响应（三辆试验车辆以10km/h车速行驶过桥）动载试验小结（1）一辆重车以不等车速匀速行驶过桥时，加劲梁跨中和四分点主桁和横梁 被测杆件的动态应力放大系数分别小于等于1.15和1.20，且应力动态放 大系数与行车速度无明显关系；桥面加速度和动位移绝对值比较小，桥 面加速度和动位移绝对值基本随车速增大而增大。车行过桥时桥面振动 频率基本集中在2.73.4Hz之间，基本对应结构高阶竖向振动模态。（2）开放交通情况下，桥面振动基本随车辆自振频率；频率响应范围基本集 中在2.04.0Hz之间。桥面振动的加速度比单车试验荷载作用下大56 倍，绝对值接近0.1g。（3）一辆重车匀速驶过桥试验的荷载作用模式

25、比较清楚，对应的实测和计算 结果均能一一对应和比较。（4）本桥振动问题和动态响应与动荷载作用（形式和大小）关系非常密切， 中型载重汽车的弹簧频率一般在2.7左右，从试验结果看出，本桥有车 辆激发桥梁产生较大振动的可能。否交通量统计，24h监测疲劳累积损伤评估 疲劳损伤作用下使用年限推算 监测应力幅杆件、连接疲劳极限值 是无疲劳问题钢结构设计规范 应力幅计数加劲梁疲劳分析针对南盘江大桥目前存在的车致振动问题，有理由关注大桥加劲梁钢桁架梁的构件及其连接的疲劳问题。加劲梁疲劳分析交通量统计据此推算出大桥运营至今的车流量加劲梁疲劳分析动应力时程曲线加劲梁疲劳分析雨流法统计MPa 幅值由实测（24h）样

26、本推算出大桥运营至今的应力幅频次按规范，当应力循环次数取 5106 时，杆件和连接的疲劳极限值计算如下： 桁架杆件 连接节点 加劲梁疲劳分析按实测统计，杆件和节点的疲劳极限值分别超过 的如下： 单车道 双车道 桁架杆件 15杆，均无 5杆，8次 连接节点 3 5 1 2 3 4 5 次数 27 121 1 185 790 259 904着重对3和5节点进行验算工程应用角度可以认为，当 时产生疲劳破坏。运用式： 可以求使用年限Y。 具体考虑两种情况： （1）（保守）3#和5#杆件对应节点在疲劳损伤作用下的使用 年限。 （2）（最不利）5#杆件和5根杆件对应节点在疲劳损伤作用下 的使用年限。加劲梁

27、疲劳分析疲劳累积损伤评估疲劳累积损伤度：加劲梁疲劳分析疲劳累积损伤评估第一种情况下不同节点的使用年限构件编号构件位置可使用年限（年）13#杆件对应连接节点10025#杆件对应连接节点71第二种情况下不同构件或节点的使用年限构件编号构件位置可使用年限（年）15#杆件（纵梁下弦杆）10021#杆件对应连接节点10032#杆件对应连接节点4843#杆件对应连接节点654#杆件对应连接节点3565#杆件对应连接节点4结论和建议1）大桥结构总体技术状态评定 南盘江大桥加劲梁空间位置已发生较大变异，主桁高程纵桥向呈S 形， 纵向最大高差达27cm；横向也有25cm不等高差。 实测主缆恒载拉力不对称，吊杆力实测结果与理论计算值比较离散。悬索结构的恒载受力状态已偏离设计值。 结构在车辆荷载下振动明显、摇晃，人感不适。 重要部件有较多中等缺损，次要部件20%有严重缺损，功能降低，进一步恶化将有损重要构