獨(dú)塔單索面混凝土斜拉橋換索技術(shù)研究

尼宏杰，尼穎升

（1.漯河市市政管理處，河南 漯河 462000；2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京市 100088)

獨(dú)塔單索面混凝土斜拉橋換索技術(shù)研究

尼宏杰，尼穎升

（1.漯河市市政管理處，河南 漯河 462000；2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京市 100088)

由于斜拉索的防護(hù)技術(shù)不盡完善,斜拉橋在運(yùn)營若干年后,不可避免地會(huì)出現(xiàn)斜拉索腐蝕問題。為保證橋梁安全運(yùn)營,國內(nèi)外一些斜拉橋不得不進(jìn)行換索。通過對(duì)一座獨(dú)塔單索面斜拉橋的病害狀況、成因分析、換索過程及換索效果進(jìn)行闡述，以期為此類斜拉橋的換索提供技術(shù)支撐。

獨(dú)塔；單索面；斜拉橋；換索；加固

0　引　言

在過去的60年間，世界各地修建了數(shù)百座斜拉橋，我國也有近百座。由于斜拉索的防護(hù)技術(shù)不盡完善,拉索施工質(zhì)量不過關(guān)或養(yǎng)護(hù)不當(dāng),在橋梁運(yùn)營若干年后,不可避免地會(huì)出現(xiàn)斜拉索腐蝕問題。為保證橋梁的安全和繼續(xù)運(yùn)營，國內(nèi)外一些斜拉橋(如:委內(nèi)瑞拉的馬拉開波湖橋、英國的伍埃橋、我國的濟(jì)南黃河大橋等)必須換索[1]。因此,斜拉橋換索是一個(gè)有必要研究的課題。

斜拉橋的受力特點(diǎn)之一就是其自重引起的內(nèi)力和變形可以通過調(diào)整斜拉索的張拉力而人為地進(jìn)行調(diào)整,因此進(jìn)行斜拉橋設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)者可以選定自己滿意的恒載內(nèi)力狀態(tài)和線形,即設(shè)計(jì)成橋階段理想狀態(tài),這與其他橋型的橋梁設(shè)計(jì)并不相同，但是實(shí)現(xiàn)這一理想狀態(tài)的施工過程漫長而復(fù)雜,影響達(dá)到理想狀態(tài)的因素很多。由于結(jié)構(gòu)分析計(jì)算圖式、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)(彈性模量、截面特征)、混凝土的收縮徐變計(jì)算的誤差，以及施工控制因素的變化等原因,斜拉橋竣工后的線形與內(nèi)力不可避免地與設(shè)計(jì)目標(biāo)有偏差[2]。

竣工后的橋梁經(jīng)多年運(yùn)營后與目標(biāo)狀態(tài)的偏差會(huì)在原來的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展,其主要原因如下：

（1）橋梁在運(yùn)營期間因二期恒載增加而導(dǎo)致索力和主梁線形的變化；

（2）斜拉索中鋼材松弛、銹蝕斷裂的影響；

（3）對(duì)于混凝土斜拉橋,混凝土徐變的影響很顯著,徐變變形引發(fā)全橋恒載內(nèi)力的重分布,導(dǎo)致全橋的內(nèi)力和線形發(fā)生變化；

（4）環(huán)境因素對(duì)斜拉橋內(nèi)力的影響。

綜上所述,實(shí)際結(jié)構(gòu)偏離理想狀態(tài)的現(xiàn)象總是客觀存在的,而斜拉橋的特點(diǎn)之一便是可通過調(diào)索人為地調(diào)整全橋的線形與內(nèi)力。因此,斜拉橋換索工程的目的與任務(wù)在于:在更換已“老化”的斜拉索,提高結(jié)構(gòu)承載能力的同時(shí),利用換索時(shí)機(jī),對(duì)全橋的線形和內(nèi)力通過調(diào)整索力糾正其對(duì)設(shè)計(jì)理想狀態(tài)的偏差,改善全橋的線形和內(nèi)力[3]。

換索設(shè)計(jì)如果只是簡(jiǎn)單地以新索代替原來已被嚴(yán)重腐蝕的索,不會(huì)對(duì)全橋的線形、內(nèi)力有所改善,使得橋梁仍然存在受力不合理的安全隱患。這也是常規(guī)換索設(shè)計(jì)的主要不足之處。對(duì)于已建成并運(yùn)營多年的斜拉橋,在換索過程中能夠?qū)蛄壕€形和內(nèi)力進(jìn)行調(diào)整的僅有索力一項(xiàng)。要改善結(jié)構(gòu)的線形和內(nèi)力,使其達(dá)到或接近設(shè)計(jì)理想狀態(tài),就必須在更換斜拉索的同時(shí),對(duì)各斜拉索的索力進(jìn)行調(diào)整，對(duì)全橋索力進(jìn)行優(yōu)化。國內(nèi)許多學(xué)者對(duì)斜拉橋的索力優(yōu)化問題進(jìn)行了研究[4],提出了許多方法。斜拉橋的索力優(yōu)化可以分為兩大類:成橋索力的優(yōu)化和施工索力的優(yōu)化。根據(jù)研究對(duì)象所處于的階段的不同,成橋索力的優(yōu)化可分為設(shè)計(jì)階段的成橋索力優(yōu)化、已設(shè)計(jì)好未施工的成橋索力優(yōu)化和已營運(yùn)的成橋索力優(yōu)化[5]。換索過程中索力優(yōu)化（調(diào)整）屬于已營運(yùn)的成橋索力優(yōu)化問題。

本文針對(duì)一座獨(dú)塔單索面斜拉橋的病害狀況、成因分析、換索過程及換索效果進(jìn)行闡述，以期為此類斜拉橋的換索提供技術(shù)支撐。

1　工程概況

嵩山路澧河橋位于河南省漯河市西南，是漯河市嵩山路上重點(diǎn)咽喉工程。嵩山路澧河橋?yàn)楠?dú)塔兩跨單索面斜拉橋，橋跨布置為60m+90m。橋面寬度為：0.5m安全帶+8.5m行車道+1.0m中央分隔帶+8.5m行車道+0.5m安全帶，橋面全寬19m。設(shè)計(jì)荷載：汽車—超20級(jí)，掛車—120。

大橋于1997年竣工，現(xiàn)已運(yùn)營近20年。圖1為結(jié)構(gòu)的立面和側(cè)面。

圖1　主橋立面圖（單位：m）

2　特檢結(jié)論

（1）外觀及無損檢測(cè)結(jié)果表明嵩山路澧河橋橋面系、上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)均存在著嚴(yán)重的病害，影響橋梁結(jié)構(gòu)的安全、使用壽命、耐久性、行車安全。

（2）靜載試驗(yàn)結(jié)果表明：嵩山路澧河橋在各工況試驗(yàn)荷載作用下的各控制斷面應(yīng)力測(cè)試結(jié)果顯示有部分測(cè)點(diǎn)的校驗(yàn)系數(shù)大于0.9，個(gè)別測(cè)點(diǎn)的校驗(yàn)系數(shù)最大達(dá)到0.99，說明結(jié)構(gòu)實(shí)際狀況儲(chǔ)備不足，偏于不安全；主梁正彎矩控制斷面及負(fù)彎控制斷面殘余應(yīng)變值普遍超過10%，個(gè)別測(cè)點(diǎn)殘余應(yīng)變率最大值達(dá)到了《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)定》（JTG/TJ21-2011）第8.3.1條規(guī)定20%限值，表明箱梁結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下有較大的不可恢復(fù)應(yīng)變，結(jié)構(gòu)實(shí)際狀況與理想狀況相比偏于不安全。

（3）動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果表明，嵩山路澧河橋橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)基頻大于計(jì)算值，表明橋梁整體剛度滿足設(shè)計(jì)要求、實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)均未超過計(jì)算沖擊系數(shù)。

（4）根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)檢算結(jié)果可知：嵩山路沙河橋運(yùn)營過程中在組合荷載作用下主梁和主塔壓應(yīng)力滿足規(guī)范要求，但局部位置拉應(yīng)力超過規(guī)范要求；斜拉索(邊跨最外側(cè)B12#索)最大應(yīng)力為736MPa，大于規(guī)范要求的運(yùn)營階段容許應(yīng)[σ]=0.4 fpk= 668MPa。

（5）根據(jù)《城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》（CJJ99—2003）規(guī)定，上部結(jié)構(gòu)裂縫嚴(yán)重，橫向裂縫最大跨度達(dá)到0.35mm，超過規(guī)范表5.4.2中限值要求（最大限值為0.1mm）；實(shí)測(cè)索力與設(shè)計(jì)索力偏差較大。

綜上5條結(jié)論，建議對(duì)此斜拉橋進(jìn)行換索并加固。

3　斜拉索及梁體狀況

3.1斜拉索狀況

根據(jù)第2節(jié)特檢結(jié)論的第4和第5條，斜拉索實(shí)際運(yùn)營狀態(tài)應(yīng)力超出規(guī)范容許應(yīng)力，且實(shí)測(cè)索力與設(shè)計(jì)索力偏差較大，通過表1表示索力的變化狀態(tài)，其中B表示邊跨方向，Bi（i=1……12），Z表示向河中跨方向，Zi（i=1……12）。

斜拉索的外觀狀態(tài)：

（1）斜拉索梁上將軍帽及鋼套筒銹蝕嚴(yán)重，斜拉索梁上內(nèi)置減振器銹蝕嚴(yán)重；

（2）斜拉索梁上錨杯、螺母及錨墊板銹蝕嚴(yán)重，錨杯內(nèi)部防護(hù)油脂干枯，抽查的梁上錨杯中發(fā)現(xiàn)其中B7#、B8#、Z5#索梁上錨杯內(nèi)部有大量積水；

（3）塔上斜拉索錨杯防護(hù)罩整體銹蝕嚴(yán)重，個(gè)別斜拉索孔道附近表層混凝土塊脫落、斜拉索錨固齒塊邊角破裂、斜拉索錨固齒塊有修補(bǔ)跡象。

通過表1可知，實(shí)測(cè)總索力值比設(shè)計(jì)值大5%。北岸邊跨60m跨除B11、B8和B2索外，其他索的索力與設(shè)計(jì)值偏差在10%以內(nèi)，索力變化量較小，索力變化主要由于混凝土結(jié)構(gòu)受力體系的收縮、徐變?cè)斐桑瑢儆谡，F(xiàn)象。但是南岸中跨90m跨除Z1 和Z9外，其他索的索力與設(shè)計(jì)值偏差超過10%，最大偏差超過30%，索力較為異常。實(shí)測(cè)索力換算成應(yīng)力，最大應(yīng)力達(dá)656.6MPa，安全系數(shù)小于2.5。

理論索力與實(shí)測(cè)索力普遍存在較大偏差，個(gè)別索力已處于不合理狀態(tài)，說明箱梁的內(nèi)力已發(fā)生重分布，從而導(dǎo)致梁體線形已失去原設(shè)計(jì)姿態(tài)，需要對(duì)現(xiàn)役橋梁進(jìn)行換索、調(diào)索并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。

3.2梁體狀況

主梁整體狀況較好，主梁主要病害表現(xiàn)為混凝土外觀缺陷，如受水侵蝕、滲水、析白蜂窩、麻面、混凝土表面破損、露筋、鋼筋銹蝕及混凝土表面出現(xiàn)收縮裂縫。

表1　索力狀態(tài)測(cè)試結(jié)果

4　病害狀態(tài)成因分析

4.1斜拉索病害狀態(tài)成因分析

（1）密封罩內(nèi)的密封膠老化失修從而失去密封效果，造成密封罩密閉性較差，很難做到完全密封不漏水。水進(jìn)入鋼護(hù)筒，造成鋼護(hù)筒銹蝕，部分鋼護(hù)筒內(nèi)還存在積水現(xiàn)象，個(gè)別鋼護(hù)筒已積滿水。

（2）鋼護(hù)筒內(nèi)減震器及鐵鍥位置處原設(shè)計(jì)要求填注水泥砂漿，以達(dá)到密閉效果，從現(xiàn)場(chǎng)情況來看，均未做填注水泥砂漿處理，也未做填注固化油脂處理。

（3）錨墊板、錨箱、墩頭的銹蝕主要由于缺乏養(yǎng)護(hù)或養(yǎng)護(hù)不到位所致。防護(hù)油脂、防護(hù)漆會(huì)隨時(shí)間出現(xiàn)老化，油脂會(huì)結(jié)塊，防護(hù)漆會(huì)起皮脫落，從而失去防護(hù)作用，進(jìn)而導(dǎo)致錨墊板等鋼組件出現(xiàn)銹蝕。出現(xiàn)銹蝕后未對(duì)銹蝕進(jìn)行處理并進(jìn)行二次防護(hù)，造成隨時(shí)間銹蝕狀況加劇。

（4）由于歷史原因，細(xì)節(jié)構(gòu)造的不完善。如錨墊板上未設(shè)置排水槽，下錨點(diǎn)未設(shè)置防護(hù)罩等。

（5）由于施工原因，存在構(gòu)件接觸連接點(diǎn)不嚴(yán)密，如鋼墊板與錨杯間密封不嚴(yán)、螺栓連接失效等。

4.2梁體病害狀態(tài)成因分析

（1）受水侵蝕、滲水、析白的主要原因是主梁頂板留孔洞太多，大部分未進(jìn)行封堵或有效封堵，加上橋面破損嚴(yán)重、防水失效而發(fā)生滲漏水，導(dǎo)致主梁受水侵蝕；泄水管過短，未超出頂板底面，雨水沿頂板和縱梁流下，導(dǎo)致主梁受水侵蝕；泄水管與頂板接觸不密實(shí)而發(fā)生滲漏水，導(dǎo)致主梁受水侵蝕。

（2）主梁表面的蜂窩麻面主要是施工過程中振搗不密實(shí)、澆筑模板質(zhì)量控制不好所致。

（3）主梁表面的破損主要是施工過程中碰撞所致。

（4）露筋原因主要有兩方面：一是混凝土破損而發(fā)生露筋；二是主梁保護(hù)層厚度不足造成露筋，主要是為避讓預(yù)應(yīng)力管道而調(diào)整鋼筋位置，同時(shí)縱梁底部和邊角位置不易振搗，而發(fā)生孔洞露筋。

（5）鋼筋銹蝕原因主要有兩方面：一是露筋處鋼筋直接暴露在空氣中而發(fā)生銹蝕；二是局部位置鋼筋保護(hù)層過薄，或受水侵蝕加速了混凝土的碳化，或兩者同時(shí)存在，使混凝土碳化深度到達(dá)或接近鋼筋表面而發(fā)生銹蝕。

5　換索工序設(shè)計(jì)

（1）換索程序：由內(nèi)索開始逐索更換直至外索；換索順序：同時(shí)拆除中跨Hi#索、邊跨Ai#索→同時(shí)安裝中跨Hi#索、邊跨Ai#索，再按上述順序重復(fù)更換i+1#拉索。

（2）在更換斜拉索時(shí)，每索均按設(shè)計(jì)給定的索力進(jìn)行張拉錨定，待同一索號(hào)斜拉索均更換完畢后，全部的束再同時(shí)張拉進(jìn)行索力調(diào)整，使其達(dá)到給定的索力。沒有特殊情況，該索不再進(jìn)行二次張拉調(diào)索。

（3）同一索號(hào)的斜拉索更換完畢后，除進(jìn)行索力影響面的測(cè)試外，還應(yīng)該進(jìn)行臨近點(diǎn)橋面的高程測(cè)量，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，決定是否調(diào)整索力。

6　換索計(jì)算原則及結(jié)果分析

該橋斜拉索為單索面扇形布置，河側(cè)和岸側(cè)各設(shè)12根，全橋共計(jì)24根。岸側(cè)索距為4.2m，河側(cè)索距為6.3m。拉索號(hào)數(shù)由塔外向塔內(nèi)側(cè)增大，有限元模型如圖2所示。

圖2　斜拉橋有限元計(jì)算模型

換索計(jì)算過程：

根據(jù)原施工圖和竣工圖，建立原橋模型→調(diào)整索力至2014年實(shí)測(cè)索力→去除舊欄桿、橋面鋪裝→由近及遠(yuǎn)（距索塔）依次換索→更換欄桿、鋪裝新的橋面鋪裝。

換索過程中，新索的控制張拉力兼顧三方面：一是一次張拉到位，換索完成盡量不再調(diào)索；二是換索過程中主梁的應(yīng)力控制在合理的范圍內(nèi)；三是換索完成后主梁的應(yīng)力（運(yùn)營階段最不利組合）、位移及索塔的位移控制在合理的范圍之內(nèi)。

6.1斜拉索計(jì)算結(jié)果

本次換索的成橋的索力見表2，調(diào)索索力值為原設(shè)計(jì)索力的72%～140%，調(diào)索索力值為2014年實(shí)測(cè)索力的93%～115%。

表2　索力表　kN

6.2換索后梁體計(jì)算結(jié)果

換索后，在最不利組合狀態(tài)下，調(diào)索前后梁體的應(yīng)力狀態(tài)見表3。

表3　調(diào)索前后梁體應(yīng)力　MPa

6.3換索后索力及梁體狀態(tài)總結(jié)

換索后，斜拉索索力均處于合理狀態(tài)，基本恢復(fù)為2014年索力狀態(tài)，梁體壓應(yīng)力增加，拉應(yīng)力有所減小。

7　結(jié)　語

斜拉索換索是為了延續(xù)結(jié)構(gòu)壽命，提高承重部件的使用效率，替換原損傷索，改善結(jié)構(gòu)內(nèi)力與線形。因此,在設(shè)計(jì)前期，需要準(zhǔn)確的計(jì)算換索前的線形與索力，使得換索后的線形與索力盡可能吻合目標(biāo)索力與線形狀態(tài)。所采用的通過調(diào)索等技術(shù)措施來模擬結(jié)構(gòu)換索前線形與索力的技術(shù)觀點(diǎn)和手段,對(duì)換索設(shè)計(jì)是有實(shí)用意義的。

[1]蔣偉平.斜拉橋換索理論及其技術(shù)問題的研究[D].成都:西南交通大學(xué),2003.

[2]王文濤.斜拉橋換索工程[M].北京:人民交通出版社,1997.

[3]肖汝誠,項(xiàng)海帆.斜拉橋索力優(yōu)化及其工程應(yīng)用[J].計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào),1998(1):118-125.

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U448.27

B

1009-7716（2016）11-0041-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.11.011

2016-09-09

尼宏杰（1964-），男，河南漯河人，高級(jí)工程師，從事市政工程設(shè)計(jì)工作。