混凝土獨塔斜拉橋的換索施工控制與加固效果分析

馬 赟　陶小委　宋粉麗　金世欣

摘 要：為了保證某混凝土斜拉橋的結構安全和正常使用，本研究在試驗檢測和有限元計算分析的基礎上制定了加固方案，并在斜拉索更換施工中對斜拉索索力、主梁位移、主塔偏位等關鍵指標進行施工控制。同時，結合施工控制結果和加固前、后荷載試驗對比，對橋梁加固效果進行分析。結果表明，換索施工過程控制良好，加固后結構受力得到改善，橋梁承載能力、整體抗彎剛度有明顯提高，結構安全儲備有所增加。

關鍵詞：斜拉橋;換索;加固;施工控制;荷載試驗

中圖分類號：U445.4 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）35-0112-05

Construction Control and Reinforcement Effect Evaluation of

Cable Replacement for Concrete Single-tower Cable-stayed Bridge

MA Yun1 TAO Xiaowei2 SONG Fenli1 JIN Shixin

（1. Henan Transporation Research Institute Co.，Ltd.，Zhengzhou Henan 450015;

2.Huanghe Jiaotong University，Jiaozuo Henan 454950）

Abstract： In order to ensure the structural safety and normal use of a concrete cable-stayed bridge， a reinforcement scheme was developed on the basis of test detection and finite element calculation analysis in this study， during the replacement of stay cables， key indicators such as cable force， displacement of the main beam， and deviation of the main tower were subject to construction control. At the same time， combining the results of construction control and the comparison of load test before and after reinforcement， the effect of bridge reinforcement is analyzed. The results show that the cable replacement construction process is well controlled， the structure is strengthened after reinforcement， the bearing capacity and overall bending stiffness of the bridge are significantly improved， and the structural safety reserve is increased.

Keywords： cable-stayed bridge;cable replacement;reinforcement;construction control;load test

對于建成并已運營多年的斜拉橋，其部分構件會發(fā)生損壞，尤其是斜拉索損傷會導致橋梁極限承載能力的降低甚至突發(fā)斷索事故，這些問題給人們生活和社會穩(wěn)定帶來極大的安全隱患[1-3]。因此，定期對運營斜拉橋進行檢測和檢算，掌握其運營狀態(tài)，必要時進行加固處理尤為必要。橋梁檢測是通過一定的技術手段判定分析橋梁的病害情況、嚴重程度、產生原因等，并做出技術狀況評定的專業(yè)化工作[4-6]。本文以某獨塔單索面混凝土斜拉橋為工程背景，在試驗檢測和計算分析的基礎上制定了換索和主梁加固方案，并對斜拉索更換施工過程進行索力測試與控制、主梁撓度監(jiān)測、關鍵截面應力應變監(jiān)測、主塔偏位監(jiān)測等施工監(jiān)測與控制[7-10]。成橋后，結合施工控制結果和加固前、后試驗檢測對比，對橋梁加固效果進行了評價分析。

1 橋梁概況

某斜拉橋位于我國中部某省，建成于1997年，如圖1所示。該橋設計為塔、梁、墩固結的獨塔單索面混凝土斜拉橋，橋跨布置為60m+90m。如圖2所示，90m跨主梁為單箱雙室混凝土箱梁，60m跨為實心混凝土梁，梁高均為1.8m，橋面全寬19m。橋梁主塔、主梁設計采用50號混凝土，設計荷載等級為汽車-超20級、掛車-120。全橋共設12對、24根斜拉索，舊索為標準抗拉強度[fpk]=1 670MPa的低松弛鍍鋅高強平行鋼絲索，本次更換的新索為抗拉標準強度[fpk]=1 770MPa的低松弛鍍鋅高強平行鋼絲索。圖1和圖2中，數(shù)值單位均為厘米（cm）。

圖2 主梁標準橫斷面

2 橋梁病害與檢算

2.1 拉索病害與索力檢測

加固前重點對橋梁斜拉索病害進行了檢測，結果發(fā)現(xiàn)，全橋斜拉索梁端錨固區(qū)將軍帽、鋼套筒和內置減震器普遍銹蝕嚴重;塔端錨固區(qū)防護罩普遍銹蝕嚴重，錨固區(qū)表層混凝土局部脫落。除上述共性病害外，各斜拉索的具體病害如表1所示，斜拉索梁上錨杯銹蝕、積水情況如圖3所示。

表1 斜拉索具體病害情況

[位置 病害情況 邊跨索 邊跨B2索梁上錨杯、螺母及錨墊板銹蝕嚴重;邊跨B4索梁上錨杯、螺母及錨墊板銹蝕嚴重、錨杯外有物體纏裹;邊跨B5索梁上錨杯、螺母及錨墊板銹蝕嚴重、內部防護油脂干枯;邊跨B6索梁上錨杯、螺母及錨墊板銹蝕嚴重、內部防護油脂干枯;邊跨B7索梁上錨杯、螺母及錨墊板銹蝕嚴重、內部積水，錨杯內部銹蝕嚴重、防護油脂干枯;邊跨B8索梁上錨杯內部大量積水，錨杯、螺母及錨墊板銹蝕嚴重、防護油脂干枯 主跨索 中跨Z2索梁上錨杯、螺母及錨墊板銹蝕嚴重;中跨Z5索梁上錨杯、螺母及錨墊板銹蝕嚴重，內部防護油脂干枯;中跨Z5索梁上錨杯內積水;中跨Z6索梁上錨杯、螺母及錨墊板銹蝕嚴重，內部防護油脂干枯;中跨Z7索梁上錨杯、螺母及錨墊板銹蝕嚴重 ]

索力能直接反映斜拉橋持久狀況下的內力狀態(tài)，是評價斜拉橋承載能力的重要指標。一般實測索力與設計誤差應控制在±10%以內，應檢定其安全系數(shù)是否滿足規(guī)范要求，并在結構檢算中加以考慮。采用振動頻率法測試索力，實測索力與設計索力對比如表2所示。由測試對比分析結果可知，邊跨B2索索力與設計值偏差達-21.7%，主跨Z4索索力與設計值偏差達33.4%。

圖3 斜拉索梁上錨杯銹蝕、積水

表2 索力測試結果與設計索力對比

2.2 橋梁結構受力檢算

在橋梁病害檢測和索力測試的基礎上，采用有限元分析軟件Midas/Civil對橋梁結構正常使用極限狀態(tài)進行驗算分析，構建了橋梁計算有限元模型（見圖4）。設計荷載作用下，主梁最大壓應力為-11.26MPa，主梁最大拉應力為1.87MPa;主塔最大壓應力為-14.41MPa，主塔最大拉應力為3.09MPa。主梁、主塔最大拉應力值均超過設計值，且與結構開裂位置基本吻合。正常使用極限狀態(tài)下，邊跨B12斜拉索最大應力為736MPa，大于有關規(guī)范要求的運營階段容許應力[σ=0.4fpk=668MPa]。

圖4 橋梁計算有限元模型

3 換索方案與施工控制

3.1 換索施工方案

該橋梁為按照Ⅰ類養(yǎng)護的城市橋梁，根據(jù)橋梁檢測和檢算結果，該橋技術狀況評定為不合格，需對橋梁進行換索和加固。新更換斜拉索采用標準抗拉強度[fpk]=1 770MPa的低松弛鍍鋅高強平行鋼絲索，并對成橋索力進行調整，以消除橋梁主要病害，優(yōu)化結構的受力狀態(tài)，使得橋梁加固完成后滿足原設計荷載作用下的正常使用要求。斜拉索更換施工一般分為正序（由主塔向外）更換和逆序（由外向主塔）更換，開始施工前應進行有限元計算分析，采用合理的更換施工方案，使得施工過程橋梁結構安全且索力、結構應力狀態(tài)、主梁線形、主塔偏位等不至于發(fā)生過大波動。經(jīng)計算分析，該橋采用正序更換施工，由主塔向兩側逐對更換斜拉索，并對主梁采取裂縫封閉、粘貼鋼板等加固措施。

3.2 換索施工控制

3.2.1 索力測試與控制。在拆除每對舊索、安裝每對新索完成后，對臨近3對斜拉索索力進行測試，當發(fā)現(xiàn)其與理論計算出現(xiàn)過大偏差時，應及時分析原因并在下一對斜拉索更換時對張拉控制力進行調整?？刂剖┕み^程中，斜拉索安全系數(shù)均不小于2.0，成橋索力與設計索力的極值偏差為8%，小于控制值±10%的控制要求。

3.2.2 主梁撓度監(jiān)測。在拆除每對舊索、安裝每對新索完成后測量拉索錨固斷面位置主梁撓度，將每一施工階段的測量值與理論計算進行對比，出現(xiàn)過大偏差時應分析原因，必要時通過調整后續(xù)索力或在全部斜拉索更換完成后進行調索，以控制主梁線形。表3為舊索拆除后主梁實測撓度與理論計算值對比，實測撓度與理論計算基本一致，主梁撓度未出現(xiàn)過大波動。

3.2.3 關鍵截面應力監(jiān)測。施工過程中很難對主梁所有截面應變進行監(jiān)測，往往選取有代表性的關鍵截面，通過這些截面的狀態(tài)來了解所有截面的受力狀態(tài)。選擇主跨塔梁結合位置主梁根部截面和主跨跨中截面，監(jiān)測主梁底板應變增量，并換算應力增量。如表4所示，各施工階段實測應力增量與計算理論值一致，略小于理論值，測試截面應力未出現(xiàn)劇烈變化。

3.2.4 主塔偏位監(jiān)測。在斜拉橋換索各工況下，對主塔塔頂偏位進行測量，相對于維修加固前原結構，幾個主要施工階段主塔累計偏位監(jiān)測結果如表5所示。主塔成橋相對于原結構累計偏位為20.2mm，偏向河跨側。主塔相對于原結構累計偏位值較小，實測偏位與理論計算偏差在±20mm以內。對于主塔偏位的監(jiān)測，控制成橋后主塔縱橋向偏位與理論計算偏差≤±20mm。

4 加固效果評價分析

研究發(fā)現(xiàn)，加固前后橋梁荷載試驗結果和索力檢測數(shù)據(jù)的對比分析，能夠直觀地反映出橋梁的加固效果和施工與控制水平。

4.1 加固前后荷載試驗對比

如圖5所示，橋梁靜荷載試驗選取5個控制截面，各控制截面具體位置和測試內容如表6所示。為便于對比分析，加固前后試驗采用相同的控制截面、加載車重和加載工況。

圖5 橋梁靜荷載試驗控制斷面分布

表6 控制截面具體位置和測試內容

[控制截面編號 控制截面位置 試驗測試內容 1-1 邊跨L/2截面 主梁應變、撓度 2-2 主塔根部截面 主塔應變 3-3 主梁根部截面 主梁應變 4-4 主跨L/2截面 主梁應變、撓度 5-5 主跨3L/4截面 主梁應變 ]

圖6為加固前后各控制截面應變校驗系數(shù)對比，加固前主跨3L/4截面應變校驗系數(shù)最大值為0.95，加固后減小為0.83，主梁各控制截面加固后應變校驗系數(shù)平均減小19%。圖7為加固前后各控制截面撓度校驗系數(shù)對比，加固前主跨L/2截面撓度校驗系數(shù)最大值為0.94，加固后減小為0.85;加固前邊跨L/2截面撓度校驗系數(shù)最大值為0.77，加固后減小為0.69;加固前主跨3L/4截面撓度校驗系數(shù)最大值為0.86，加固后為0.91，略有增大。靜荷載試驗對比分析表明，加固后橋梁承載能力、整體抗彎剛度有明顯提高，結構安全儲備有所增加。

圖6 加固前后控制截面應變校驗系數(shù)對比

圖7 加固前后制截面撓度校驗系數(shù)對比

橋梁動載試驗主要是測試橋梁結構的自振特性以及橋梁結構在外界激勵下的振動性能。基頻是結構的重要固有屬性，在其他條件一致情況下，基頻是結構整體剛度的體現(xiàn)，如表7所示，加固后橋梁實測基頻有所提高，表明橋梁的整體剛度較加固前有所提高。

表7 加固前后橋梁基頻對比

4.2 加固前后索力對比

如圖8所示，橋梁換索加固之前實測索力與設計索力整體偏差較大，最大達33.4%，橋梁內力狀態(tài)嚴重偏離原設計。斜拉索更換對設計成橋索力進行調整，并在施工過程中進行較好的施工控制，加固完成后實測索力與設計索力整體偏差較小，最大僅為8%。通過索力的調整和施工控制，結構的受力狀態(tài)得到優(yōu)化，使得橋梁在加固完成后滿足原設計荷載作用下的正常使用要求。

5 結語

斜拉索為斜拉橋的重要受力構件，受外界環(huán)境因素、結構材料性能退化、交通量增加等各因素的影響，運營多年以后均會出現(xiàn)不同程度的病害，甚至影響橋梁的正常使用。定期對斜拉橋進行檢測和檢算，掌握其運營狀態(tài)，必要時應及時進行換索和加固維修。斜拉索更換施工過程中應做好相應的施工監(jiān)控工作，以確保成橋目標的順利實現(xiàn)。對于橋梁加固效果，可采用加固前后的荷載試驗進行對比評價分析。本文以某獨塔單索面混凝土斜拉橋為例，在換索施工過程中進行了索力測試與控制、主梁撓度監(jiān)測、關鍵截面應力應變監(jiān)測、主塔偏位監(jiān)測等施工監(jiān)測與控制，成橋索力控制良好。加固前后荷載試驗結果對比表明，加固后橋梁承載能力、整體抗彎剛度有明顯提高，結構安全儲備有所增加，實現(xiàn)了換索及加固設計的目標。

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