斜塔無背索斜拉橋病害分析及加固方法

于 芳

（深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 深圳 518029）

0 引言

改革開放以來，我國橋梁建設(shè)迎來了一個(gè)黃金時(shí)代，在這40年的發(fā)展過程中，橋梁設(shè)計(jì)理念也在不斷提升，在滿足最基本的功能性、安全性、經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，越來越重視橋梁建筑的藝術(shù)造型和景觀設(shè)計(jì)。無背索斜拉橋是由傳統(tǒng)斜拉橋發(fā)展而來的一種結(jié)構(gòu)形式，造型新穎、富有力感，憑借它獨(dú)特的景觀效果，在橋梁建設(shè)中展現(xiàn)了它的生命力。無背索斜拉橋至今僅有20余年的發(fā)展時(shí)間，多應(yīng)用于城市橋梁。

經(jīng)過20多年的發(fā)展與建設(shè)，該類型橋梁的病害也逐漸顯現(xiàn)出。本文以某無背索斜拉橋?yàn)楣こ贪咐?，分析該類型橋梁的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，結(jié)合橋梁的檢測(cè)報(bào)告，根據(jù)原設(shè)計(jì)方案和橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，分析工程隱患及現(xiàn)有病害的成因，提出優(yōu)化可靠的加固方案。

1 工程背景

該工程案例為某市區(qū)的獨(dú)塔雙索面無背索部分斜拉橋，預(yù)應(yīng)力混凝土梁組合體系，跨徑布置30m+66m+30m，照片與立面圖如圖1所示。梁體采用肋式結(jié)構(gòu)，橫向布置5片縱肋，次邊肋截面面積較大，不帶馬蹄，其余肋帶馬蹄。下部結(jié)構(gòu)橋墩采用柱式墩身，下設(shè)承臺(tái)，承臺(tái)下設(shè)樁基礎(chǔ)。塔下墩與塔固結(jié)。橋臺(tái)采用耳墻式橋臺(tái)，下設(shè)樁基礎(chǔ)，樁基為摩擦樁。全橋支座為盆式橡膠支座，橋臺(tái)處每片肋下各一個(gè)，橋墩處次邊肋下各一個(gè)。

圖1 銅陵路橋照片和立面圖

2 斜塔無背索斜拉橋受力特點(diǎn)分析

斜塔無背索斜拉橋結(jié)構(gòu)是利用斜塔的自重效應(yīng)平衡主梁豎向荷載效應(yīng)的一種傳力結(jié)構(gòu)[1-3]。如果根據(jù)塔、梁兩者的荷載效應(yīng)來劃分，也可以分為塔梁相當(dāng)和塔輕梁重。其中，塔梁相當(dāng)結(jié)構(gòu)就是斜塔的自重效應(yīng)和主梁豎向荷載效應(yīng)相當(dāng)，塔輕梁重結(jié)構(gòu)是指斜塔的自重效應(yīng)平衡主梁的部分荷載效應(yīng)。

由塔、梁、索三者形成的結(jié)構(gòu)體系是一種整體宏觀的靜力平衡狀態(tài)，斜塔根部在恒載作用下只承擔(dān)軸向壓力，彎矩為零。

塔梁相當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)若要使斜塔根部處于軸心受壓狀態(tài)，則拉索承重區(qū)域梁體的傾覆力矩等于主塔自重的抵抗力矩。恒載作用下，整體彎矩平衡公式如下：

式中：WT為主塔重量；LT為主塔重心距塔梁固結(jié)點(diǎn)的距離；WL為拉索區(qū)主梁重量；LL為拉索區(qū)主梁重心距塔梁固結(jié)點(diǎn)距離。

塔輕梁重橋梁結(jié)構(gòu)在恒載作用下，整體彎矩平衡公式為

式中：ψ為豎向荷載分擔(dān)率（拉索分擔(dān)的豎向荷載/全部豎向荷載）。

該工程案例為塔輕梁重結(jié)構(gòu)，在活載狀態(tài)下，斜塔和主梁各自承擔(dān)豎向荷載的比例是根據(jù)結(jié)構(gòu)剛度分配的。當(dāng)斜塔剛度降低時(shí)，則主梁承載的荷載增大；當(dāng)主梁剛度降低時(shí)，則斜塔承擔(dān)的荷載增大。

3 橋梁病害類型與病害成因分析

3.1 病害類型

下述橋梁病害內(nèi)容均根據(jù)該橋的“檢測(cè)報(bào)告”和“荷載試驗(yàn)報(bào)告”所得。

3.1.1 縱梁病害

縱梁未見明顯病害?？v梁剛度和強(qiáng)度滿足要求，但剛度和強(qiáng)度的儲(chǔ)備不足。

3.1.2 橫梁病害

全橋橫梁共有81條豎向裂縫，總長188.7m，寬0.10～0.45mm。1條橫向裂縫，長2.8m，寬0.14mm；4條斜向裂縫，總長 8.2m，寬 0.18～0.24mm；2處蜂窩，1處蜂窩露筋，5處露筋。其中，裂縫主要分布在全橋的兩個(gè)邊跨，尤以塔下邊跨的開裂情況較為嚴(yán)重。部分裂縫檢測(cè)結(jié)果如圖2所示。橫梁雖然存在裂縫，但仍具有符合要求的剛度和強(qiáng)度，能與縱梁形成有效的結(jié)構(gòu)體系。

3.1.3 索塔病害

圖2 塔下邊跨橫梁裂縫圖（寬度0.20 mm以上加粗）

索塔存在以下病害情況：1號(hào)索塔共有5條豎向裂縫，總長7.9m，最大寬度0.20mm；有11條橫向裂縫，總長38.72 m，最大寬度0.20 mm；有4條斜向裂縫，總長6.4m，最大寬度0.12mm；有3條U形裂縫，總長8.31m，最大寬度0.16mm；有1條L形裂縫，長1.6m，寬0.10mm；有1條縱向裂縫，長1.0m，寬 0.20mm；有 1處網(wǎng)裂，面積 0.245m2。2號(hào)索塔共有3條豎向裂縫，總長2.42m，最大寬度0.20mm；有27條橫向裂縫，總長16.85m，最大寬度0.20mm；有3條斜向裂縫，總長5.15m，最大寬度0.16mm；有1條U形裂縫，長0.17m，寬0.16mm。檢測(cè)結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 1號(hào)索塔裂縫圖

3.1.4 拉索病害

實(shí)測(cè)斜拉索索力沿上、下游左右兩側(cè)基本對(duì)稱，沿主塔兩側(cè)基本對(duì)稱；實(shí)測(cè)索力左右幅2號(hào)和7號(hào)索索力與竣工索力相差較大?？諛驙顟B(tài)下實(shí)測(cè)索力與設(shè)計(jì)值相差小于3%，其余工況實(shí)測(cè)索力與設(shè)計(jì)值相差最大不超過16%。

圖4 2號(hào)索塔裂縫圖

3.2 病害成因分析

3.2.1 縱梁病害分析

根據(jù)“荷載試驗(yàn)報(bào)告”，縱梁剛度和強(qiáng)度儲(chǔ)備不足，該橋的設(shè)計(jì)方案縱梁剛度偏大，如今荷載試驗(yàn)顯示剛度和強(qiáng)度儲(chǔ)備不足，只可能有兩個(gè)原因：一是梁體嚴(yán)重開裂，剛度降低；二是傳遞的荷載有較大的增加[4]。從“檢測(cè)報(bào)告”結(jié)果來看，縱梁未出現(xiàn)明顯裂縫。因此發(fā)生縱梁剛度和強(qiáng)度儲(chǔ)備不足是由于斜塔的開裂引起的。

3.2.2 橫梁裂縫成因分析

橫梁預(yù)應(yīng)力束的布束方案未能充分考慮縱向預(yù)應(yīng)力反拱效應(yīng)對(duì)橫梁產(chǎn)生的影響，也未能充分計(jì)入塔下縱梁對(duì)橫梁支點(diǎn)約束作用的變化，在荷載和活載作用下使塔下邊跨橫梁下緣和中跨跨中橫梁上緣產(chǎn)生了明顯的受拉區(qū)，其他受壓區(qū)域也存在預(yù)壓應(yīng)力儲(chǔ)備不足的情況。鑒于此，不排除在車載、降溫等作用下使受拉區(qū)進(jìn)一步發(fā)展、低預(yù)壓應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)而受拉等情況的產(chǎn)生，由此產(chǎn)生裂縫。

由于橫梁預(yù)應(yīng)力作用存在的不合理因素，在負(fù)溫度梯度及整體降溫工況作用下，上述橫梁受拉區(qū)域的拉應(yīng)力水平進(jìn)一步提高。

3.2.3 索塔病害成因分析

U形裂縫和橫向裂縫多是斜塔受彎距作用開裂的裂縫。在索塔的設(shè)計(jì)思想中，在恒載作用下，索塔根部處于軸心受壓狀態(tài)，在恒載+活載共同作用下，活載通過拉索傳遞到斜塔上，塔體存在彎距作用。隨著交通量的日益增加，彎矩作用越大，如果存在超載現(xiàn)象，將更加加劇彎矩作用的增大。

縱向裂縫有可能是縱向預(yù)應(yīng)力筋引起的混凝土局部劈裂。

3.2.4 拉索病害分析

實(shí)測(cè)索力左右幅2號(hào)和7號(hào)索索力與竣工索力相差較大，該橋縱梁作為主要受力構(gòu)件，分擔(dān)了很大一部分豎向荷載，由于主塔存在開裂，剛度降低，所以縱梁承擔(dān)荷載增加，拉索的索力會(huì)有普遍降低，2號(hào)索和7號(hào)索有可能存在銹蝕或斷絲等截面損失情況，存在卸載現(xiàn)象，又增加了其他索體的索力。建議對(duì)2號(hào)索和7號(hào)索進(jìn)行進(jìn)一步檢測(cè)。

4 加固改造方法

結(jié)合上述的病害描述和病害成因分析，給出如下加固方案：

（1）縱梁采用底部粘貼鋼板加固方法，可以提高縱梁的承載能力儲(chǔ)備。

（2）為提高橫梁剛度，限制裂縫開展，橫梁采用體外預(yù)應(yīng)力鋼束加固方法或者橫向構(gòu)件頂部和底部粘貼鋼板加固方法。該加固方法可以改善鋼筋及混凝土的應(yīng)力狀態(tài)，提高梁的承載力儲(chǔ)備。

（3）斜塔沿高度增加配重，平衡縱梁上的豎向荷載，解決縱梁剛度不足的問題。塔的底部區(qū)域前、后表面粘貼鋼板，增加斜塔的抗裂性能。

（4）建議對(duì)索體左右幅2號(hào)和7號(hào)索進(jìn)行進(jìn)一步的檢測(cè)，如發(fā)現(xiàn)銹蝕建議換索。

5 結(jié) 語

（1）由于斜塔無背索斜拉橋是利用斜塔的自重效應(yīng)平衡主梁豎向荷載效應(yīng)的一種傳力結(jié)構(gòu)，荷載檢測(cè)試驗(yàn)提示縱梁存在剛度不足時(shí)，如果不是縱梁自身的剛度退化，很可能是索塔剛度退化引起的。

（2）斜塔無背索斜拉橋在進(jìn)行縱梁的結(jié)構(gòu)加固時(shí)，可考慮增加斜塔的負(fù)重，來減小縱梁承擔(dān)的豎向荷載，提高整橋的承載能力。

（3）橫梁設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮縱梁預(yù)應(yīng)力的反拱效應(yīng)和縱梁對(duì)橫梁各節(jié)點(diǎn)的支撐作用。