混凝土独塔斜拉桥的换索施工控制与加固效果分析

马 赟　陶小委　宋粉丽　金世欣

摘 要：为了保证某混凝土斜拉桥的结构安全和正常使用，本研究在试验检测和有限元计算分析的基础上制定了加固方案，并在斜拉索更换施工中对斜拉索索力、主梁位移、主塔偏位等关键指标进行施工控制。同时，结合施工控制结果和加固前、后荷载试验对比，对桥梁加固效果进行分析。结果表明，换索施工过程控制良好，加固后结构受力得到改善，桥梁承载能力、整体抗弯刚度有明显提高，结构安全储备有所增加。

关键词：斜拉桥;换索;加固;施工控制;荷载试验

中图分类号：U445.4 文献标识码：A 文章编号：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

對于建成并已运营多年的斜拉桥，其部分构件会发生损坏，尤其是斜拉索损伤会导致桥梁极限承载能力的降低甚至突发断索事故，这些问题给人们生活和社会稳定带来极大的安全隐患[1-3]。因此，定期对运营斜拉桥进行检测和检算，掌握其运营状态，必要时进行加固处理尤为必要。桥梁检测是通过一定的技术手段判定分析桥梁的病害情况、严重程度、产生原因等，并做出技术状况评定的专业化工作[4-6]。本文以某独塔单索面混凝土斜拉桥为工程背景，在试验检测和计算分析的基础上制定了换索和主梁加固方案，并对斜拉索更换施工过程进行索力测试与控制、主梁挠度监测、关键截面应力应变监测、主塔偏位监测等施工监测与控制[7-10]。成桥后，结合施工控制结果和加固前、后试验检测对比，对桥梁加固效果进行了评价分析。

1 桥梁概况

某斜拉桥位于我国中部某省，建成于1997年，如图1所示。该桥设计为塔、梁、墩固结的独塔单索面混凝土斜拉桥，桥跨布置为60m+90m。如图2所示，90m跨主梁为单箱双室混凝土箱梁，60m跨为实心混凝土梁，梁高均为1.8m，桥面全宽19m。桥梁主塔、主梁设计采用50号混凝土，设计荷载等级为汽车-超20级、挂车-120。全桥共设12对、24根斜拉索，旧索为标准抗拉强度[fpk]=1 670MPa的低松弛镀锌高强平行钢丝索，本次更换的新索为抗拉标准强度[fpk]=1 770MPa的低松弛镀锌高强平行钢丝索。图1和图2中，数值单位均为厘米（cm）。

图2 主梁标准横断面

2 桥梁病害与检算

2.1 拉索病害与索力检测

加固前重点对桥梁斜拉索病害进行了检测，结果发现，全桥斜拉索梁端锚固区将军帽、钢套筒和内置减震器普遍锈蚀严重;塔端锚固区防护罩普遍锈蚀严重，锚固区表层混凝土局部脱落。除上述共性病害外，各斜拉索的具体病害如表1所示，斜拉索梁上锚杯锈蚀、积水情况如图3所示。

表1 斜拉索具体病害情况

[位置 病害情况 边跨索 边跨B2索梁上锚杯、螺母及锚垫板锈蚀严重;边跨B4索梁上锚杯、螺母及锚垫板锈蚀严重、锚杯外有物体缠裹;边跨B5索梁上锚杯、螺母及锚垫板锈蚀严重、内部防护油脂干枯;边跨B6索梁上锚杯、螺母及锚垫板锈蚀严重、内部防护油脂干枯;边跨B7索梁上锚杯、螺母及锚垫板锈蚀严重、内部积水，锚杯内部锈蚀严重、防护油脂干枯;边跨B8索梁上锚杯内部大量积水，锚杯、螺母及锚垫板锈蚀严重、防护油脂干枯 主跨索 中跨Z2索梁上锚杯、螺母及锚垫板锈蚀严重;中跨Z5索梁上锚杯、螺母及锚垫板锈蚀严重，内部防护油脂干枯;中跨Z5索梁上锚杯内积水;中跨Z6索梁上锚杯、螺母及锚垫板锈蚀严重，内部防护油脂干枯;中跨Z7索梁上锚杯、螺母及锚垫板锈蚀严重 ]

索力能直接反映斜拉桥持久状况下的内力状态，是评价斜拉桥承载能力的重要指标。一般实测索力与设计误差应控制在±10%以内，应检定其安全系数是否满足规范要求，并在结构检算中加以考虑。采用振动频率法测试索力，实测索力与设计索力对比如表2所示。由测试对比分析结果可知，边跨B2索索力与设计值偏差达-21.7%，主跨Z4索索力与设计值偏差达33.4%。

图3 斜拉索梁上锚杯锈蚀、积水

表2 索力测试结果与设计索力对比

2.2 桥梁结构受力检算

在桥梁病害检测和索力测试的基础上，采用有限元分析软件Midas/Civil对桥梁结构正常使用极限状态进行验算分析，构建了桥梁计算有限元模型（见图4）。设计荷载作用下，主梁最大压应力为-11.26MPa，主梁最大拉应力为1.87MPa;主塔最大压应力为-14.41MPa，主塔最大拉应力为3.09MPa。主梁、主塔最大拉应力值均超过设计值，且与结构开裂位置基本吻合。正常使用极限状态下，边跨B12斜拉索最大应力为736MPa，大于有关规范要求的运营阶段容许应力[σ=0.4fpk=668MPa]。

图4 桥梁计算有限元模型

3 换索方案与施工控制

3.1 换索施工方案

该桥梁为按照Ⅰ类养护的城市桥梁，根据桥梁检测和检算结果，该桥技术状况评定为不合格，需对桥梁进行换索和加固。新更换斜拉索采用标准抗拉强度[fpk]=1 770MPa的低松弛镀锌高强平行钢丝索，并对成桥索力进行调整，以消除桥梁主要病害，优化结构的受力状态，使得桥梁加固完成后满足原设计荷载作用下的正常使用要求。斜拉索更换施工一般分为正序（由主塔向外）更换和逆序（由外向主塔）更换，开始施工前应进行有限元计算分析，采用合理的更换施工方案，使得施工过程桥梁结构安全且索力、结构应力状态、主梁线形、主塔偏位等不至于发生过大波动。经计算分析，该桥采用正序更换施工，由主塔向两侧逐对更换斜拉索，并对主梁采取裂缝封闭、粘贴钢板等加固措施。

3.2 换索施工控制

3.2.1 索力测试与控制。在拆除每对旧索、安装每对新索完成后，对临近3对斜拉索索力进行测试，当发现其与理论计算出现过大偏差时，应及时分析原因并在下一对斜拉索更换时对张拉控制力进行调整。控制施工过程中，斜拉索安全系数均不小于2.0，成桥索力与设计索力的极值偏差为8%，小于控制值±10%的控制要求。

3.2.2 主梁挠度监测。在拆除每对旧索、安装每对新索完成后测量拉索锚固断面位置主梁挠度，将每一施工阶段的测量值与理论计算进行对比，出现过大偏差时应分析原因，必要时通过调整后续索力或在全部斜拉索更换完成后进行调索，以控制主梁线形。表3为旧索拆除后主梁实测挠度与理论计算值对比，实测挠度与理论计算基本一致，主梁挠度未出现过大波动。

3.2.3 关键截面应力监测。施工过程中很难对主梁所有截面应变进行监测，往往选取有代表性的关键截面，通过这些截面的状态来了解所有截面的受力状态。选择主跨塔梁结合位置主梁根部截面和主跨跨中截面，监测主梁底板应变增量，并换算应力增量。如表4所示，各施工阶段实测应力增量与计算理论值一致，略小于理论值，测试截面应力未出现剧烈变化。

3.2.4 主塔偏位监测。在斜拉桥换索各工况下，对主塔塔顶偏位进行测量，相对于维修加固前原结构，几个主要施工阶段主塔累计偏位监测结果如表5所示。主塔成桥相对于原结构累计偏位为20.2mm，偏向河跨侧。主塔相对于原结构累计偏位值较小，实测偏位与理论计算偏差在±20mm以内。对于主塔偏位的监测，控制成桥后主塔纵桥向偏位与理论计算偏差≤±20mm。

4 加固效果评价分析

研究发现，加固前后桥梁荷载试验结果和索力检测数据的对比分析，能够直观地反映出桥梁的加固效果和施工与控制水平。

4.1 加固前后荷载试验对比

如图5所示，桥梁静荷载试验选取5个控制截面，各控制截面具体位置和测试内容如表6所示。为便于对比分析，加固前后试验采用相同的控制截面、加载车重和加载工况。

图5 桥梁静荷载试验控制断面分布

表6 控制截面具体位置和测试内容

[控制截面编号 控制截面位置 试验测试内容 1-1 边跨L/2截面 主梁应变、挠度 2-2 主塔根部截面 主塔应变 3-3 主梁根部截面 主梁应变 4-4 主跨L/2截面 主梁應变、挠度 5-5 主跨3L/4截面 主梁应变 ]

图6为加固前后各控制截面应变校验系数对比，加固前主跨3L/4截面应变校验系数最大值为0.95，加固后减小为0.83，主梁各控制截面加固后应变校验系数平均减小19%。图7为加固前后各控制截面挠度校验系数对比，加固前主跨L/2截面挠度校验系数最大值为0.94，加固后减小为0.85;加固前边跨L/2截面挠度校验系数最大值为0.77，加固后减小为0.69;加固前主跨3L/4截面挠度校验系数最大值为0.86，加固后为0.91，略有增大。静荷载试验对比分析表明，加固后桥梁承载能力、整体抗弯刚度有明显提高，结构安全储备有所增加。

图6 加固前后控制截面应变校验系数对比

图7 加固前后制截面挠度校验系数对比

桥梁动载试验主要是测试桥梁结构的自振特性以及桥梁结构在外界激励下的振动性能。基频是结构的重要固有属性，在其他条件一致情况下，基频是结构整体刚度的体现，如表7所示，加固后桥梁实测基频有所提高，表明桥梁的整体刚度较加固前有所提高。

表7 加固前后桥梁基频对比

4.2 加固前后索力对比

如图8所示，桥梁换索加固之前实测索力与设计索力整体偏差较大，最大达33.4%，桥梁内力状态严重偏离原设计。斜拉索更换对设计成桥索力进行调整，并在施工过程中进行较好的施工控制，加固完成后实测索力与设计索力整体偏差较小，最大仅为8%。通过索力的调整和施工控制，结构的受力状态得到优化，使得桥梁在加固完成后满足原设计荷载作用下的正常使用要求。

5 结语

斜拉索为斜拉桥的重要受力构件，受外界环境因素、结构材料性能退化、交通量增加等各因素的影响，运营多年以后均会出现不同程度的病害，甚至影响桥梁的正常使用。定期对斜拉桥进行检测和检算，掌握其运营状态，必要时应及时进行换索和加固维修。斜拉索更换施工过程中应做好相应的施工监控工作，以确保成桥目标的顺利实现。对于桥梁加固效果，可采用加固前后的荷载试验进行对比评价分析。本文以某独塔单索面混凝土斜拉桥为例，在换索施工过程中进行了索力测试与控制、主梁挠度监测、关键截面应力应变监测、主塔偏位监测等施工监测与控制，成桥索力控制良好。加固前后荷载试验结果对比表明，加固后桥梁承载能力、整体抗弯刚度有明显提高，结构安全储备有所增加，实现了换索及加固设计的目标。

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