西部地區預應力混凝土斜拉橋合龍段置換加固技術研究

?

西部地區預應力混凝土斜拉橋合龍段置換加固技術研究

Study on Closure Section Replacement Reinforcement Technology of Prestressed Concrete Cable-stayed Bridges in Western Region

編者按：PC斜拉橋的合龍段是起著連接作用的關鍵構件，一旦損壞，其對橋跨的連接作用就會減弱，在長期荷載反復作用下，甚至可能失效，而傳統的、常規的加固技術均無法從根本上解決PC斜拉橋合龍段失效問題。《西部地區預應力混凝土斜拉橋合龍段置換加固技術研究》項目提出一種先拆除原合龍段，然后重建合龍段并采用有效措施加強新合龍段的一種新的舊橋加固技術，通過對已損壞的PC斜拉橋合龍段進行置換，使其恢復到原設計狀態或在結構性能上相比于原合龍段有明顯的提高，可為徹底解決既有PC斜拉橋合龍段失效問題提供新的技術理念。本篇對該項目研究的主要內容及成果進行推介，以期為PC斜拉橋合龍段的合理設計及維修加固提供參考和借鑒。

Editor’s Note：The closure section of PC cable-stayed bridge is a key component playing the connection role，once damaged，its role to connect the bridge span will be reduced，and under the long-term effect of repeated loading，it may even fail，but the traditional and con-ventional reinforcement technology is unable to fundamentally resolve the closure section failure problem of PC cable-stayed bridges.“Study on Closure Section Replacement Rein-forcement Technology of Prestressed Concrete Cable-stayed Bridges in Western Region”project proposed a new old-bridge reinforcement technology of firstly removing the original closure section and then rebuilding the closure section while adopting the effective meas-ures to strengthen the new closure section，and through replacing the damaged closure sec-tion of PC cable-stayed bridges，it can restore to the original design state or significantly improve the structure performance compared to the original closure section，which can pro-vide the new technology concepts for totally resolving the closure section failure problem of existing PC cable-stayed bridges.This article described the main content and research re-sults of this project，aiming to provide the reference for the rational design and repair and reinforcement of closure section of PC cable-stayed bridges.

0引言

目前，中國已成為世界上擁有預應力混凝土斜拉橋(以下簡稱“PC斜拉橋”)

數量最多的國家之一。我國西部地區自然條件惡劣，多為海拔較高的山區，自然地理和氣候條件相對惡劣，這些地區修建的大跨度PC斜拉橋更是承受著各種不利環境的考驗。30年的運營實踐表明，大多數PC斜拉橋都陸續出現了結構損傷累積、斜拉索銹蝕、結構局部構件失效等病害，急需采用先進合理的加固技術來恢復其設計承載能力，延長其使用壽命，以避免橋梁垮塌事故。

PC斜拉橋中，合龍段是起著連接作用的關鍵構件，其工作狀況直接關系到全橋結構的安全性和耐久性，一旦損壞，它對橋跨的連接作用就會減弱，在長期荷載反復作用下，甚至可能失效。由于斜拉橋修建費用昂貴、修建周期長，不可能因為合龍段失效就將整座橋梁拆除重建，在現有的經濟發展水平制約下，必須尋求合理的、有效的維修加固方法來消除這一安全隱患。然而，傳統的、常規的加固技術均無法從根本上解決PC斜拉橋合龍段失效問題。受到建筑結構中置換混凝土加固法的啟發，對已損壞的PC斜拉橋合龍段進行置換，使其恢復到原設計狀態或在結構性能上相比于原合龍段有明顯的提高，這可望成為一種標本兼治的加固措施，可為徹底解決既有PC斜拉橋合龍段失效問題提供新的技術理念，它是一種首先拆除原合龍段，然后重建合龍段并采用有效措施加強新合龍段的一種新的舊橋加固技術，影響置換效果的關鍵是要解決新老混凝土的粘結問題以及保證新合龍段合理應力狀態問題，拆除原合龍段是置換的前提，而防控措施是確保施工安全的關鍵。這種加固技術也可為新橋合龍段的合理設計和有效施工提供參考和借鑒，這樣就可以從設計和施工兩個層面上對合龍段的工作狀態進行主動性、預防性的控制。

本項目由交通運輸部公路科學研究院、天津市市政公路管理局、廣西壯族自治區交通規劃勘察設計研究院、西藏自治區交通公路勘察規劃設計院、山東省煙臺市公路管理局共同承擔，于2007年8月由交通運輸部西部項目管理中心立項，3年多以來，項目承擔單位與參加單位密切配合、通力合作，按照研究大綱確立的實施方案，努力工作，完成了項目科研合同規定的各項研究任務，取得了豐碩的科研成果，形成了PC斜拉橋合龍段置換加固的關鍵核心技術體系。

1主要研究內容及實施方案

1.1研究目標

在研究斜拉橋基本結構理論與常規加固計算方法基礎上，依托于實橋加固工程，論證合龍段置換加固技術在我國PC斜拉橋維修加固中的可行性、適用性，提出合龍段置換加固過程中的關鍵施工技術和施工控制技術，為斜拉橋的維修加固提供新的技術途徑，也為豐富和完善我國PC斜拉橋的加固方法作出較為理想的前期嘗試性研究，解決一直以來困擾橋梁工程師和橋梁管養部門的難點和熱點問題，以培養更多的西部地區舊橋養護人才和促進西部地區舊橋加固技術的發展和進步。

1.2主要研究內容

本項目按照合同規定內容分為5個專題開展研究工作，各專題主要研究內容分述如下：

專題1：PC斜拉橋合龍段病害調查及置換加固技術的適用條件分析

(1)合龍段病害調查及成因分析：調查國內已建PC斜拉橋合龍段的使用現狀，對合龍段典型病害進行詳細的成因分析。

(2)合龍段置換加固技術的適用條件分析：對合龍段失效的概念進行界定，并對置換加固的技術經濟指標進行分析，通過與其它加固方法進行對比研究，闡述合龍段置換加固方法的適用范圍、條件。

專題2：PC斜拉橋合龍段拆除過程結構受力逆轉換分析

(1)PC斜拉橋合龍段拆除的結構基準計算模型研究

根據斜拉橋的設計、竣工以及施工控制資料，按照結構實際施工過程和施工方法進行計算模擬，并考慮橋梁運營期間的索力、線形等力學參數的變化，建立PC斜拉橋施工階段分析模型，并根據各種模型修正方法，獲得合龍段拆除前的結構狀態，然后基于維修前的檢測結果對結構計算模型的精度和準確性進行評判、檢驗。

(2)PC斜拉橋合龍段拆除過程模擬

與PC斜拉橋合龍段正裝施工相對應，已建PC斜拉橋合龍段的拆除是一個西部地區預應力混凝土斜拉橋合龍段置換加固技術研究研究報告簡本

結構受力逆轉換的過程，即由運營多年的成橋狀態轉變到主梁最大懸臂狀態。研究合龍段拆除在現有結構計算程序中的實現過程、方法，并對其有效性、正確性進行檢驗，并根據事先擬定的不同拆除方案對比分析合龍段拆除方案對結構性能的影響，提出合龍段拆除的有效模擬途徑。

專題3：PC斜拉橋合龍段拆除過程的安全性分析及防控措施研究

合龍段拆除施工前，必須對合龍段拆除前后結構性能的可能變化作出充分估計，并采取相應的工程措施來應對，這是保證合龍段拆除過程安全進行的關鍵。

(1)合龍段拆除對PC斜拉橋結構性能的影響

通過理論計算手段揭示合龍段拆除對PC斜拉橋結構性能的影響，即分析合龍段拆除對全橋索力、橋面線形、塔位、主梁混凝土應力等的影響，以對合龍段拆除引起結構變形、內力變化較大的構件或部位作出估計與評價，理論分析的結果可在依托工程上進一步驗證。

(2)合龍段拆除對結構整體穩定性的影響

合龍段拆除過程，是PC斜拉橋主梁由連梁狀態(或稱成橋狀態)向最大懸臂狀態過渡的過程，應用斜拉橋結構穩定性理論，分析合龍段拆除前后結構在外界荷載(如風荷載、施工荷載等)作用下的整體穩定性問題，揭示合龍段拆除對結構整體穩定性的影響。

(3)PC斜拉橋的溫度效應

溫度荷載包括系統溫差、溫度梯度、索與梁、塔的溫差、索塔左右側溫差等。研究PC斜拉橋主梁混凝土應力、主梁標高、索塔塔頂水平位移以及拉索索力隨溫度變化的規律，對結構由于溫度作用而產生的變形、內力變化作出較為實際的估計。

(4)合龍段拆除過程中的安全預防措施研究

根據上述分析結果，針對合龍段拆除可能引起的結構過大變形或內力，研究可利用的各種應對工程措施的可行性，并結合施工過程中的監測結果判斷這些不安全影響因素的變化趨勢，同時在依托工程中實施以檢驗其效果。

專題4：PC斜拉橋合龍段拆除后的主梁線形調整技術研究

PC斜拉橋合龍段拆除后，結構形成兩半橋(通常合龍段處連有臨時鎖定裝置)，此時主梁線形調整工作相比于合龍段拆除前的成橋連梁狀態而言變得較為容易。利用這一時機對主梁線形進行調整，可以達到改善線形或避免合龍段置換后的各種非確定因素引起的非正常下撓。

研究PC斜拉橋主梁線形與拉索索力之間的相關性，根據線形調整目標確定索力調整幅度、索力調整的原則，研究影響矩陣法在斜拉橋索力調整中的適用性，提出調整主梁線形的調索方案，并進行對比論證。

研究如何根據監測結果對設計的調索施工工序進行調整，以保證橋梁結構最大可能地接近預先設定的理想狀態，根據監測結果對監控計算模型進行修正和誤差調整，預測下一施工階段的索力調整方案。

專題5：PC斜拉橋置換合龍段的施工工藝研究

(1)合龍段勁性骨架研究：主要是對合龍段勁性骨架的作用、布置形式、計算方法、施工工藝等進行研究。

(2)合龍段與相鄰節段連接性能研究：從合龍段與相鄰節段的受力分析入手，研究如何加強新老混凝土之間的連接性能。

(3)新合龍段預應力的補償技術研究：新合龍段恢復后，其體內的預應力有限，為保證橋梁后期運營過程中合龍段具有足夠的有效預應力，研究采用體外預應力補償技術的適用性和效果。

(4)合龍段混凝土的澆筑工藝研究：為保證合龍段合理的受力狀態，研究合龍溫度選擇、合龍段混凝土的選用以及混凝土澆筑質量等的保證措施。

另外，根據各專題研究成果，還需編制PC斜拉橋合龍段置換加固技術應用指南，該指南是對各專題研究成果進行匯總歸納，形成系統化，便于工程應用。

1.3實施方案

本項目擬采用理論分析結合實橋驗證的方式開展研究，強調理論研究與工程實踐相結合，并充分利用國內外各行業和領域已取得的先進成果。具體實施方案見圖1。

圖1　實施方案流程圖

2取得的主要研究成果

本項目在詳細調研和全面總結前期科研成果的基礎上，通過系統的理論分析、實橋實施與驗證測試等一系列的研究工作，取得了如下一批具有創新性和實用價值的研究成果：

(1)提出了PC斜拉橋合龍段拆除前結構基準計算模型的建立方法，該方法對解決舊橋加固設計計算的難點問題具有較為普遍的指導意義；

(2)建立了PC斜拉橋合龍段拆除結構受力逆轉換分析理論和合龍段拆除過程的模擬計算方法，解決了PC斜拉橋合龍段拆除過程的施工控制計算問題；

(3)建立了PC斜拉橋合龍段拆除過程的安全性分析體系，包括靜力性能變化預測分析、全橋整體穩定性分析、動力特性分析以及溫度效應分析等，這是制定PC斜拉橋合龍段置換施工過程中的安全防控措施的前提和依據，也是整體把握施工全過程結構安全的重要內容；

(4)基于風險性和安全性分析，提出了PC斜拉橋合龍段置換過程中的安全預防控制措施，并經過實橋驗證后，其施工可行性和實施的必要性得到了充分論證；

(5)以索力調整為實現手段，提出了PC斜拉橋合龍段拆除后主梁線形調整的實用方法，索力調整方案兼顧了多個舊橋結構狀態指標，線形調整效果明顯，達到了既定的目標；

(6)總結依托工程的經驗，建立了PC斜拉橋置換合龍段的施工工藝體系，包括勁性骨架的設置、改善合龍段與相鄰節段連接性能、新合龍段的預應力補償技術以及新合龍段的加固工藝等，并形成了一套PC斜拉橋合龍段置換加固技術應用指南，以指導今后同類工程的施工。

本項目研究完成了一座實橋的合龍段置換工程，不僅對理論分析起到了驗證、修正的作用，而且在工程中所總結的經驗又反過來對理論研究進行了補充和完善，工程上的大膽嘗試探索與豐富嚴謹的理論分析相結合，由此建立起來的加固技術體系不僅對今后同類型的PC斜拉橋的加固工程具有現實的指導借鑒意義，而且由此而形成的加固理論研究成果也必然會促進舊橋加固領域的變革，即針對一些損壞異常嚴重的結構構件，改變過去傳統的補強加固方案，而引入構件更換技術，其技術經濟性及加固效果往往更優。圖2和圖3為合龍段置換前后的現場照片，通過對比可發現，置換加固后，合龍段的狀況得到了明顯的改善。

本項目立項3年多以來，在各參研單位的共同努力下圓滿完成了合同規定的各項科研任務，提交的研究報告及其它成果形式如下：

(1)PC斜拉橋合龍段病害調查及置換加固技術的適用條件分析報告

(2)PC斜拉橋合龍段拆除過程結構受力逆轉換分析報告

(3)PC斜拉橋合龍段拆除過程的安全性分析及安全預防措施研究報告

(4)PC斜拉橋合龍段拆除后的主梁線形調整技術研究報告

(5)PC斜拉橋置換合龍段的施工工藝研究報告

(6)PC斜拉橋合龍段置換加固技術應用指南

(a)合龍接縫下緣開裂寬度達10 cm

(b)合龍段接縫開裂處鋼筋斷裂

(c)合龍段接縫處鋼筋斷裂

(d)合龍段接縫開裂并滲水

圖3　新合龍段及其加固部分示例圖

3項目的效益分析及推廣應用前景

PC斜拉橋修建費用較高，不可能因為合龍段失效就重建。像永和大橋合龍段，若因病害將整座橋拆除而重建一座同類型的結構，其重建資金高達5 100萬，即使采用連續梁或連續剛構，其費用也會達到3 000萬以上，而合龍段置換加固的費用為900萬。由此可見，拆除重建的代價太高，不可能因局部構件失效而將全橋作廢，加固是必然的。另外，永和大橋合龍段置換工程僅歷時46 d，而拆除重建至少要花一年以上的時間，交通的阻滯所造成的經濟損失初步估算要1個億以上，這說明與拆除重建相比，合龍段置換具有明顯的間接經濟效益。

若采用常規的加固方法，如體外預應力加固，其加固費用達500萬，合龍段置換費用約為其1.8倍，但對于像永和大橋這樣的病害，體外預應力加固治標不治本，而合龍段置換加固卻能達到標本兼治的效果，盡管其費用較高，卻能徹底消除安全隱患，合龍段的受力狀態更容易得到保證。工程上的大膽實踐證明了合龍段置換加固技術的可行性，同時，從結構的長期使用或耐久性來說，其經濟性亦是可觀的。

本項目的研究可豐富既有PC斜拉橋的維修加固方法，可望成為橋梁維修加固技術的新途徑和新方法，其市場需求廣大，應用前景可觀。另外，這種加固方法的研究可以為新橋合龍段的設計和施工提供參考和借鑒，這樣就可以從設計和施工層面上對合龍段的力學性能進行主動性、預防性的控制。更為值得注意的是，西部地區多為海拔較高的山區，自然地理和氣候條件相對惡劣，這些地區已修建的PC斜拉橋中其合龍段更是承受著各種不利環境的考驗，更需要先進的加固技術來解決其合龍段損壞問題，從而本項目的研究在西部地區是大有用武之地的，對改善西部地區PC斜拉橋的使用性能、延長其使用壽命、避免橋梁垮塌事故均具有重大而現實的應用前景和市場需求。

4結語

在詳細調研國內外實橋資料與相關文獻和全面總結依托工程實踐經驗基礎上，通過系統的理論分析計算，對PC斜拉橋合龍段置換加固技術進行了系統的研究。以我國早期斜拉橋的代表作——天津永和大橋為工程背景，建立了用于PC斜拉橋合龍段拆除的分析計算技術，詳細論證并分析了PC斜拉橋合龍段拆除的安全性，提出了利用合龍段拆除的有利時機進行主梁線形調整的實用調索技術，給出了新合龍段恢復及加強的關鍵技術措施，并形成了置換合龍段的應用技術指南。天津永和大橋已成為既有PC斜拉橋進行大規模維修與加固的典型示范工程，這其中凸現出來的合龍段置換加固技術開辟了大跨PC斜拉橋維修加固技術的新途徑，由此而形成的新思路和新理念進一步豐富和完善了既有大跨度橋梁的加固理論，是舊橋加固領域的新突破。

但是應該指出，天津永和大橋合龍段的預應力布置及其與相鄰主梁節段的連接具有一定的特殊性，同時本項目所依托的實際工程數量較少，故本項目的研究成果更多地是體現在技術應用層面，盡管其中的加固理論具有普適性，但技術層面還需要更多的實踐工程進行檢驗和補充，技術的系統性也需要進一步完善，建議將合龍段置換加固技術擴展到舊橋局部結構構件更換技術方面，這樣更能體現本項目研究的新理念，本項目研究所形成的理論和技術體系也能更好地為舊橋加固技術的創新提供參照和依據，由此而形成的加固創新技術也能部分拓展到梁式橋或其他類型的橋梁結構的加固領域。

(來源于交通部西部交通建設科技項目管理中心網站)

文章編號：1673-4874(2016)01-0001-05

中圖分類號：U445.7+2

文獻標識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.01.001

基金項目

交通運輸部西部交通建設科技項目(合同號：2007 318 223 40)