混凝土獨(dú)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(jié)構(gòu)安全和正常使用，本研究在試驗(yàn)檢測(cè)和有限元計(jì)算分析的基礎(chǔ)上制定了加固方案，并在斜拉索更換施工中對(duì)斜拉索索力、主梁位移、主塔偏位等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行施工控制。同時(shí)，結(jié)合施工控制結(jié)果和加固前、后荷載試驗(yàn)對(duì)比，對(duì)橋梁加固效果進(jìn)行分析。結(jié)果表明，換索施工過(guò)程控制良好，加固后結(jié)構(gòu)受力得到改善，橋梁承載能力、整體抗彎剛度有明顯提高，結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備有所增加。

關(guān)鍵詞：斜拉橋;換索;加固;施工控制;荷載試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：U445.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(duì)于建成并已運(yùn)營(yíng)多年的斜拉橋，其部分構(gòu)件會(huì)發(fā)生損壞，尤其是斜拉索損傷會(huì)導(dǎo)致橋梁極限承載能力的降低甚至突發(fā)斷索事故，這些問(wèn)題給人們生活和社會(huì)穩(wěn)定帶來(lái)極大的安全隱患[1-3]。因此，定期對(duì)運(yùn)營(yíng)斜拉橋進(jìn)行檢測(cè)和檢算，掌握其運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，必要時(shí)進(jìn)行加固處理尤為必要。橋梁檢測(cè)是通過(guò)一定的技術(shù)手段判定分析橋梁的病害情況、嚴(yán)重程度、產(chǎn)生原因等，并做出技術(shù)狀況評(píng)定的專(zhuān)業(yè)化工作[4-6]。本文以某獨(dú)塔單索面混凝土斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘?，在試?yàn)檢測(cè)和計(jì)算分析的基礎(chǔ)上制定了換索和主梁加固方案，并對(duì)斜拉索更換施工過(guò)程進(jìn)行索力測(cè)試與控制、主梁撓度監(jiān)測(cè)、關(guān)鍵截面應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)、主塔偏位監(jiān)測(cè)等施工監(jiān)測(cè)與控制[7-10]。成橋后，結(jié)合施工控制結(jié)果和加固前、后試驗(yàn)檢測(cè)對(duì)比，對(duì)橋梁加固效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析。

1 橋梁概況

某斜拉橋位于我國(guó)中部某省，建成于1997年，如圖1所示。該橋設(shè)計(jì)為塔、梁、墩固結(jié)的獨(dú)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(shí)心混凝土梁，梁高均為1.8m，橋面全寬19m。橋梁主塔、主梁設(shè)計(jì)采用50號(hào)混凝土，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽車(chē)-超20級(jí)、掛車(chē)-120。全橋共設(shè)12對(duì)、24根斜拉索，舊索為標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度[fpk]=1 670MPa的低松弛鍍鋅高強(qiáng)平行鋼絲索，本次更換的新索為抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度[fpk]=1 770MPa的低松弛鍍鋅高強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)橫斷面

2 橋梁病害與檢算

2.1 拉索病害與索力檢測(cè)

加固前重點(diǎn)對(duì)橋梁斜拉索病害進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，全橋斜拉索梁端錨固區(qū)將軍帽、鋼套筒和內(nèi)置減震器普遍銹蝕嚴(yán)重;塔端錨固區(qū)防護(hù)罩普遍銹蝕嚴(yán)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(yán)重;邊跨B4索梁上錨杯、螺母及錨墊板銹蝕嚴(yán)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(yán)重、內(nèi)部防護(hù)油脂干枯;邊跨B6索梁上錨杯、螺母及錨墊板銹蝕嚴(yán)重、內(nèi)部防護(hù)油脂干枯;邊跨B7索梁上錨杯、螺母及錨墊板銹蝕嚴(yán)重、內(nèi)部積水，錨杯內(nèi)部銹蝕嚴(yán)重、防護(hù)油脂干枯;邊跨B8索梁上錨杯內(nèi)部大量積水，錨杯、螺母及錨墊板銹蝕嚴(yán)重、防護(hù)油脂干枯 主跨索 中跨Z2索梁上錨杯、螺母及錨墊板銹蝕嚴(yán)重;中跨Z5索梁上錨杯、螺母及錨墊板銹蝕嚴(yán)重，內(nèi)部防護(hù)油脂干枯;中跨Z5索梁上錨杯內(nèi)積水;中跨Z6索梁上錨杯、螺母及錨墊板銹蝕嚴(yán)重，內(nèi)部防護(hù)油脂干枯;中跨Z7索梁上錨杯、螺母及錨墊板銹蝕嚴(yán)重 ]

索力能直接反映斜拉橋持久狀況下的內(nèi)力狀態(tài)，是評(píng)價(jià)斜拉橋承載能力的重要指標(biāo)。一般實(shí)測(cè)索力與設(shè)計(jì)誤差應(yīng)控制在±10%以內(nèi)，應(yīng)檢定其安全系數(shù)是否滿足規(guī)范要求，并在結(jié)構(gòu)檢算中加以考慮。采用振動(dòng)頻率法測(cè)試索力，實(shí)測(cè)索力與設(shè)計(jì)索力對(duì)比如表2所示。由測(cè)試對(duì)比分析結(jié)果可知，邊跨B2索索力與設(shè)計(jì)值偏差達(dá)-21.7%，主跨Z4索索力與設(shè)計(jì)值偏差達(dá)33.4%。

圖3 斜拉索梁上錨杯銹蝕、積水

表2 索力測(cè)試結(jié)果與設(shè)計(jì)索力對(duì)比

2.2 橋梁結(jié)構(gòu)受力檢算

在橋梁病害檢測(cè)和索力測(cè)試的基礎(chǔ)上，采用有限元分析軟件Midas/Civil對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)算分析，構(gòu)建了橋梁計(jì)算有限元模型（見(jiàn)圖4）。設(shè)計(jì)荷載作用下，主梁最大壓應(yīng)力為-11.26MPa，主梁最大拉應(yīng)力為1.87MPa;主塔最大壓應(yīng)力為-14.41MPa，主塔最大拉應(yīng)力為3.09MPa。主梁、主塔最大拉應(yīng)力值均超過(guò)設(shè)計(jì)值，且與結(jié)構(gòu)開(kāi)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(yīng)力為736MPa，大于有關(guān)規(guī)范要求的運(yùn)營(yíng)階段容許應(yīng)力[σ=0.4fpk=668MPa]。

圖4 橋梁計(jì)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(lèi)養(yǎng)護(hù)的城市橋梁，根據(jù)橋梁檢測(cè)和檢算結(jié)果，該橋技術(shù)狀況評(píng)定為不合格，需對(duì)橋梁進(jìn)行換索和加固。新更換斜拉索采用標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度[fpk]=1 770MPa的低松弛鍍鋅高強(qiáng)平行鋼絲索，并對(duì)成橋索力進(jìn)行調(diào)整，以消除橋梁主要病害，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，使得橋梁加固完成后滿足原設(shè)計(jì)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(kāi)始施工前應(yīng)進(jìn)行有限元計(jì)算分析，采用合理的更換施工方案，使得施工過(guò)程橋梁結(jié)構(gòu)安全且索力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)、主梁線形、主塔偏位等不至于發(fā)生過(guò)大波動(dòng)。經(jīng)計(jì)算分析，該橋采用正序更換施工，由主塔向兩側(cè)逐對(duì)更換斜拉索，并對(duì)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(cè)試與控制。在拆除每對(duì)舊索、安裝每對(duì)新索完成后，對(duì)臨近3對(duì)斜拉索索力進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)發(fā)現(xiàn)其與理論計(jì)算出現(xiàn)過(guò)大偏差時(shí)，應(yīng)及時(shí)分析原因并在下一對(duì)斜拉索更換時(shí)對(duì)張拉控制力進(jìn)行調(diào)整。控制施工過(guò)程中，斜拉索安全系數(shù)均不小于2.0，成橋索力與設(shè)計(jì)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(cè)。在拆除每對(duì)舊索、安裝每對(duì)新索完成后測(cè)量拉索錨固斷面位置主梁撓度，將每一施工階段的測(cè)量值與理論計(jì)算進(jìn)行對(duì)比，出現(xiàn)過(guò)大偏差時(shí)應(yīng)分析原因，必要時(shí)通過(guò)調(diào)整后續(xù)索力或在全部斜拉索更換完成后進(jìn)行調(diào)索，以控制主梁線形。表3為舊索拆除后主梁實(shí)測(cè)撓度與理論計(jì)算值對(duì)比，實(shí)測(cè)撓度與理論計(jì)算基本一致，主梁撓度未出現(xiàn)過(guò)大波動(dòng)。

3.2.3 關(guān)鍵截面應(yīng)力監(jiān)測(cè)。施工過(guò)程中很難對(duì)主梁所有截面應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)，往往選取有代表性的關(guān)鍵截面，通過(guò)這些截面的狀態(tài)來(lái)了解所有截面的受力狀態(tài)。選擇主跨塔梁結(jié)合位置主梁根部截面和主跨跨中截面，監(jiān)測(cè)主梁底板應(yīng)變?cè)隽?，并換算應(yīng)力增量。如表4所示，各施工階段實(shí)測(cè)應(yīng)力增量與計(jì)算理論值一致，略小于理論值，測(cè)試截面應(yīng)力未出現(xiàn)劇烈變化。

3.2.4 主塔偏位監(jiān)測(cè)。在斜拉橋換索各工況下，對(duì)主塔塔頂偏位進(jìn)行測(cè)量，相對(duì)于維修加固前原結(jié)構(gòu)，幾個(gè)主要施工階段主塔累計(jì)偏位監(jiān)測(cè)結(jié)果如表5所示。主塔成橋相對(duì)于原結(jié)構(gòu)累計(jì)偏位為20.2mm，偏向河跨側(cè)。主塔相對(duì)于原結(jié)構(gòu)累計(jì)偏位值較小，實(shí)測(cè)偏位與理論計(jì)算偏差在±20mm以內(nèi)。對(duì)于主塔偏位的監(jiān)測(cè)，控制成橋后主塔縱橋向偏位與理論計(jì)算偏差≤±20mm。

4 加固效果評(píng)價(jià)分析

研究發(fā)現(xiàn)，加固前后橋梁荷載試驗(yàn)結(jié)果和索力檢測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)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(yàn)對(duì)比

如圖5所示，橋梁靜荷載試驗(yàn)選取5個(gè)控制截面，各控制截面具體位置和測(cè)試內(nèi)容如表6所示。為便于對(duì)比分析，加固前后試驗(yàn)采用相同的控制截面、加載車(chē)重和加載工況。

圖5 橋梁靜荷載試驗(yàn)控制斷面分布

表6 控制截面具體位置和測(cè)試內(nèi)容

[控制截面編號(hào) 控制截面位置 試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容 1-1 邊跨L/2截面 主梁應(yīng)變、撓度 2-2 主塔根部截面 主塔應(yīng)變 3-3 主梁根部截面 主梁應(yīng)變 4-4 主跨L/2截面 主梁應(yīng)變、撓度 5-5 主跨3L/4截面 主梁應(yīng)變 ]

圖6為加固前后各控制截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)對(duì)比，加固前主跨3L/4截面應(yīng)變校驗(yàn)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(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)平均減小19%。圖7為加固前后各控制截面撓度校驗(yàn)系數(shù)對(duì)比，加固前主跨L/2截面撓度校驗(yàn)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(yàn)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(yàn)系數(shù)最大值為0.86，加固后為0.91，略有增大。靜荷載試驗(yàn)對(duì)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(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備有所增加。

圖6 加固前后控制截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)對(duì)比

圖7 加固前后制截面撓度校驗(yàn)系數(shù)對(duì)比

橋梁動(dòng)載試驗(yàn)主要是測(cè)試橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性以及橋梁結(jié)構(gòu)在外界激勵(lì)下的振動(dòng)性能?；l是結(jié)構(gòu)的重要固有屬性，在其他條件一致情況下，基頻是結(jié)構(gòu)整體剛度的體現(xiàn)，如表7所示，加固后橋梁實(shí)測(cè)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(duì)比

4.2 加固前后索力對(duì)比

如圖8所示，橋梁換索加固之前實(shí)測(cè)索力與設(shè)計(jì)索力整體偏差較大，最大達(dá)33.4%，橋梁內(nèi)力狀態(tài)嚴(yán)重偏離原設(shè)計(jì)。斜拉索更換對(duì)設(shè)計(jì)成橋索力進(jìn)行調(diào)整，并在施工過(guò)程中進(jìn)行較好的施工控制，加固完成后實(shí)測(cè)索力與設(shè)計(jì)索力整體偏差較小，最大僅為8%。通過(guò)索力的調(diào)整和施工控制，結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)荷載作用下的正常使用要求。

5 結(jié)語(yǔ)

斜拉索為斜拉橋的重要受力構(gòu)件，受外界環(huán)境因素、結(jié)構(gòu)材料性能退化、交通量增加等各因素的影響，運(yùn)營(yíng)多年以后均會(huì)出現(xiàn)不同程度的病害，甚至影響橋梁的正常使用。定期對(duì)斜拉橋進(jìn)行檢測(cè)和檢算，掌握其運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，必要時(shí)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行換索和加固維修。斜拉索更換施工過(guò)程中應(yīng)做好相應(yīng)的施工監(jiān)控工作，以確保成橋目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)。對(duì)于橋梁加固效果，可采用加固前后的荷載試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)分析。本文以某獨(dú)塔單索面混凝土斜拉橋?yàn)槔?，在換索施工過(guò)程中進(jìn)行了索力測(cè)試與控制、主梁撓度監(jiān)測(cè)、關(guān)鍵截面應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)、主塔偏位監(jiān)測(cè)等施工監(jiān)測(cè)與控制，成橋索力控制良好。加固前后荷載試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明，加固后橋梁承載能力、整體抗彎剛度有明顯提高，結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備有所增加，實(shí)現(xiàn)了換索及加固設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]金世欣.澧河斜拉橋維修換索施工控制分析[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2017.

[2]劉瑞軍.營(yíng)運(yùn)斜拉橋檢測(cè)與安全評(píng)價(jià)[D].石家莊：石家莊鐵道大學(xué)，2015.

[3]吳育苗，蔣湘成，朱利明.斜拉橋斜拉索體系病害分析與處理方案[J].世界橋梁，2013（3）：77-80.

[4]張武，吳運(yùn)宏，王戒躁.斜拉橋快速換索施工技術(shù)[J].世界橋梁，2014（5）：83-86.

[5]吳中鑫，盛海軍，鄭敏，等.斜拉橋舊索試驗(yàn)檢測(cè)及殘余壽命評(píng)估[J].中外公路，2015（1）：103-108.

[6]交通部.公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則：JTG/T D65-01—2007[S].北京：人民交通出版社，2007.

[7]鄒澤西，陳云海.斜拉橋施工維修加固全過(guò)程控制分析[J].公路交通科技，2014（4）：100-105.

[8]交通運(yùn)輸部.公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程：JTG/T J21—2011[S].北京：人民交通出版社，2011.

[9]交通運(yùn)輸部.公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程：JTGF 80/1—2004[S].北京：人民交通出版社，2004.

[10]任一博.某斜拉橋索力分析及施工監(jiān)控[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2015.