斜塔无背索斜拉桥病害分析及加固方法

于 芳

（深圳市市政设计研究院有限公司，广东 深圳 518029）

0 引言

改革开放以来，我国桥梁建设迎来了一个黄金时代，在这40年的发展过程中，桥梁设计理念也在不断提升，在满足最基本的功能性、安全性、经济性的基础上，越来越重视桥梁建筑的艺术造型和景观设计。无背索斜拉桥是由传统斜拉桥发展而来的一种结构形式，造型新颖、富有力感，凭借它独特的景观效果，在桥梁建设中展现了它的生命力。无背索斜拉桥至今仅有20余年的发展时间，多应用于城市桥梁。

经过20多年的发展与建设，该类型桥梁的病害也逐渐显现出。本文以某无背索斜拉桥为工程案例，分析该类型桥梁的结构受力特点，结合桥梁的检测报告，根据原设计方案和桥梁结构现状，分析工程隐患及现有病害的成因，提出优化可靠的加固方案。

1 工程背景

该工程案例为某市区的独塔双索面无背索部分斜拉桥，预应力混凝土梁组合体系，跨径布置30m+66m+30m，照片与立面图如图1所示。梁体采用肋式结构，横向布置5片纵肋，次边肋截面面积较大，不带马蹄，其余肋带马蹄。下部结构桥墩采用柱式墩身，下设承台，承台下设桩基础。塔下墩与塔固结。桥台采用耳墙式桥台，下设桩基础，桩基为摩擦桩。全桥支座为盆式橡胶支座，桥台处每片肋下各一个，桥墩处次边肋下各一个。

图1 铜陵路桥照片和立面图

2 斜塔无背索斜拉桥受力特点分析

斜塔无背索斜拉桥结构是利用斜塔的自重效应平衡主梁竖向荷载效应的一种传力结构[1-3]。如果根据塔、梁两者的荷载效应来划分，也可以分为塔梁相当和塔轻梁重。其中，塔梁相当结构就是斜塔的自重效应和主梁竖向荷载效应相当，塔轻梁重结构是指斜塔的自重效应平衡主梁的部分荷载效应。

由塔、梁、索三者形成的结构体系是一种整体宏观的静力平衡状态，斜塔根部在恒载作用下只承担轴向压力，弯矩为零。

塔梁相当桥梁结构若要使斜塔根部处于轴心受压状态，则拉索承重区域梁体的倾覆力矩等于主塔自重的抵抗力矩。恒载作用下，整体弯矩平衡公式如下：

式中：WT为主塔重量；LT为主塔重心距塔梁固结点的距离；WL为拉索区主梁重量；LL为拉索区主梁重心距塔梁固结点距离。

塔轻梁重桥梁结构在恒载作用下，整体弯矩平衡公式为

式中：ψ为竖向荷载分担率（拉索分担的竖向荷载/全部竖向荷载）。

该工程案例为塔轻梁重结构，在活载状态下，斜塔和主梁各自承担竖向荷载的比例是根据结构刚度分配的。当斜塔刚度降低时，则主梁承载的荷载增大；当主梁刚度降低时，则斜塔承担的荷载增大。

3 桥梁病害类型与病害成因分析

3.1 病害类型

下述桥梁病害内容均根据该桥的“检测报告”和“荷载试验报告”所得。

3.1.1 纵梁病害

纵梁未见明显病害。纵梁刚度和强度满足要求，但刚度和强度的储备不足。

3.1.2 横梁病害

全桥横梁共有81条竖向裂缝，总长188.7m，宽0.10～0.45mm。1条横向裂缝，长2.8m，宽0.14mm；4条斜向裂缝，总长 8.2m，宽 0.18～0.24mm；2处蜂窝，1处蜂窝露筋，5处露筋。其中，裂缝主要分布在全桥的两个边跨，尤以塔下边跨的开裂情况较为严重。部分裂缝检测结果如图2所示。横梁虽然存在裂缝，但仍具有符合要求的刚度和强度，能与纵梁形成有效的结构体系。

3.1.3 索塔病害

图2 塔下边跨横梁裂缝图（宽度0.20 mm以上加粗）

索塔存在以下病害情况：1号索塔共有5条竖向裂缝，总长7.9m，最大宽度0.20mm；有11条横向裂缝，总长38.72 m，最大宽度0.20 mm；有4条斜向裂缝，总长6.4m，最大宽度0.12mm；有3条U形裂缝，总长8.31m，最大宽度0.16mm；有1条L形裂缝，长1.6m，宽0.10mm；有1条纵向裂缝，长1.0m，宽 0.20mm；有 1处网裂，面积 0.245m2。2号索塔共有3条竖向裂缝，总长2.42m，最大宽度0.20mm；有27条横向裂缝，总长16.85m，最大宽度0.20mm；有3条斜向裂缝，总长5.15m，最大宽度0.16mm；有1条U形裂缝，长0.17m，宽0.16mm。检测结果如图3、图4所示。

图3 1号索塔裂缝图

3.1.4 拉索病害

实测斜拉索索力沿上、下游左右两侧基本对称，沿主塔两侧基本对称；实测索力左右幅2号和7号索索力与竣工索力相差较大。空桥状态下实测索力与设计值相差小于3%，其余工况实测索力与设计值相差最大不超过16%。

图4 2号索塔裂缝图

3.2 病害成因分析

3.2.1 纵梁病害分析

根据“荷载试验报告”，纵梁刚度和强度储备不足，该桥的设计方案纵梁刚度偏大，如今荷载试验显示刚度和强度储备不足，只可能有两个原因：一是梁体严重开裂，刚度降低；二是传递的荷载有较大的增加[4]。从“检测报告”结果来看，纵梁未出现明显裂缝。因此发生纵梁刚度和强度储备不足是由于斜塔的开裂引起的。

3.2.2 横梁裂缝成因分析

横梁预应力束的布束方案未能充分考虑纵向预应力反拱效应对横梁产生的影响，也未能充分计入塔下纵梁对横梁支点约束作用的变化，在荷载和活载作用下使塔下边跨横梁下缘和中跨跨中横梁上缘产生了明显的受拉区，其他受压区域也存在预压应力储备不足的情况。鉴于此，不排除在车载、降温等作用下使受拉区进一步发展、低预压应力区转而受拉等情况的产生，由此产生裂缝。

由于横梁预应力作用存在的不合理因素，在负温度梯度及整体降温工况作用下，上述横梁受拉区域的拉应力水平进一步提高。

3.2.3 索塔病害成因分析

U形裂缝和横向裂缝多是斜塔受弯距作用开裂的裂缝。在索塔的设计思想中，在恒载作用下，索塔根部处于轴心受压状态，在恒载+活载共同作用下，活载通过拉索传递到斜塔上，塔体存在弯距作用。随着交通量的日益增加，弯矩作用越大，如果存在超载现象，将更加加剧弯矩作用的增大。

纵向裂缝有可能是纵向预应力筋引起的混凝土局部劈裂。

3.2.4 拉索病害分析

实测索力左右幅2号和7号索索力与竣工索力相差较大，该桥纵梁作为主要受力构件，分担了很大一部分竖向荷载，由于主塔存在开裂，刚度降低，所以纵梁承担荷载增加，拉索的索力会有普遍降低，2号索和7号索有可能存在锈蚀或断丝等截面损失情况，存在卸载现象，又增加了其他索体的索力。建议对2号索和7号索进行进一步检测。

4 加固改造方法

结合上述的病害描述和病害成因分析，给出如下加固方案：

（1）纵梁采用底部粘贴钢板加固方法，可以提高纵梁的承载能力储备。

（2）为提高横梁刚度，限制裂缝开展，横梁采用体外预应力钢束加固方法或者横向构件顶部和底部粘贴钢板加固方法。该加固方法可以改善钢筋及混凝土的应力状态，提高梁的承载力储备。

（3）斜塔沿高度增加配重，平衡纵梁上的竖向荷载，解决纵梁刚度不足的问题。塔的底部区域前、后表面粘贴钢板，增加斜塔的抗裂性能。

（4）建议对索体左右幅2号和7号索进行进一步的检测，如发现锈蚀建议换索。

5 结 语

（1）由于斜塔无背索斜拉桥是利用斜塔的自重效应平衡主梁竖向荷载效应的一种传力结构，荷载检测试验提示纵梁存在刚度不足时，如果不是纵梁自身的刚度退化，很可能是索塔刚度退化引起的。

（2）斜塔无背索斜拉桥在进行纵梁的结构加固时，可考虑增加斜塔的负重，来减小纵梁承担的竖向荷载，提高整桥的承载能力。

（3）横梁设计中应考虑纵梁预应力的反拱效应和纵梁对横梁各节点的支撑作用。