獨塔單索面混凝土斜拉橋換索技術研究

尼宏杰，尼穎升

（1.漯河市市政管理處，河南 漯河 462000；2.交通運輸部公路科學研究院，北京市 100088)

獨塔單索面混凝土斜拉橋換索技術研究

尼宏杰，尼穎升

（1.漯河市市政管理處，河南 漯河 462000；2.交通運輸部公路科學研究院，北京市 100088)

由于斜拉索的防護技術不盡完善,斜拉橋在運營若干年后,不可避免地會出現斜拉索腐蝕問題。為保證橋梁安全運營,國內外一些斜拉橋不得不進行換索。通過對一座獨塔單索面斜拉橋的病害狀況、成因分析、換索過程及換索效果進行闡述，以期為此類斜拉橋的換索提供技術支撐。

獨塔；單索面；斜拉橋；換索；加固

0　引　言

在過去的60年間，世界各地修建了數百座斜拉橋，我國也有近百座。由于斜拉索的防護技術不盡完善,拉索施工質量不過關或養護不當,在橋梁運營若干年后,不可避免地會出現斜拉索腐蝕問題。為保證橋梁的安全和繼續運營，國內外一些斜拉橋(如:委內瑞拉的馬拉開波湖橋、英國的伍埃橋、我國的濟南黃河大橋等)必須換索[1]。因此,斜拉橋換索是一個有必要研究的課題。

斜拉橋的受力特點之一就是其自重引起的內力和變形可以通過調整斜拉索的張拉力而人為地進行調整,因此進行斜拉橋設計時設計者可以選定自己滿意的恒載內力狀態和線形,即設計成橋階段理想狀態,這與其他橋型的橋梁設計并不相同，但是實現這一理想狀態的施工過程漫長而復雜,影響達到理想狀態的因素很多。由于結構分析計算圖式、結構設計參數(彈性模量、截面特征)、混凝土的收縮徐變計算的誤差，以及施工控制因素的變化等原因,斜拉橋竣工后的線形與內力不可避免地與設計目標有偏差[2]。

竣工后的橋梁經多年運營后與目標狀態的偏差會在原來的基礎上進一步發展,其主要原因如下：

（1）橋梁在運營期間因二期恒載增加而導致索力和主梁線形的變化；

（2）斜拉索中鋼材松弛、銹蝕斷裂的影響；

（3）對于混凝土斜拉橋,混凝土徐變的影響很顯著,徐變變形引發全橋恒載內力的重分布,導致全橋的內力和線形發生變化；

（4）環境因素對斜拉橋內力的影響。

綜上所述,實際結構偏離理想狀態的現象總是客觀存在的,而斜拉橋的特點之一便是可通過調索人為地調整全橋的線形與內力。因此,斜拉橋換索工程的目的與任務在于:在更換已“老化”的斜拉索,提高結構承載能力的同時,利用換索時機,對全橋的線形和內力通過調整索力糾正其對設計理想狀態的偏差,改善全橋的線形和內力[3]。

換索設計如果只是簡單地以新索代替原來已被嚴重腐蝕的索,不會對全橋的線形、內力有所改善,使得橋梁仍然存在受力不合理的安全隱患。這也是常規換索設計的主要不足之處。對于已建成并運營多年的斜拉橋,在換索過程中能夠對橋梁線形和內力進行調整的僅有索力一項。要改善結構的線形和內力,使其達到或接近設計理想狀態,就必須在更換斜拉索的同時,對各斜拉索的索力進行調整，對全橋索力進行優化。國內許多學者對斜拉橋的索力優化問題進行了研究[4],提出了許多方法。斜拉橋的索力優化可以分為兩大類:成橋索力的優化和施工索力的優化。根據研究對象所處于的階段的不同,成橋索力的優化可分為設計階段的成橋索力優化、已設計好未施工的成橋索力優化和已營運的成橋索力優化[5]。換索過程中索力優化（調整）屬于已營運的成橋索力優化問題。

本文針對一座獨塔單索面斜拉橋的病害狀況、成因分析、換索過程及換索效果進行闡述，以期為此類斜拉橋的換索提供技術支撐。

1　工程概況

嵩山路澧河橋位于河南省漯河市西南，是漯河市嵩山路上重點咽喉工程。嵩山路澧河橋為獨塔兩跨單索面斜拉橋，橋跨布置為60m+90m。橋面寬度為：0.5m安全帶+8.5m行車道+1.0m中央分隔帶+8.5m行車道+0.5m安全帶，橋面全寬19m。設計荷載：汽車—超20級，掛車—120。

大橋于1997年竣工，現已運營近20年。圖1為結構的立面和側面。

圖1　主橋立面圖（單位：m）

2　特檢結論

（1）外觀及無損檢測結果表明嵩山路澧河橋橋面系、上部結構、下部結構均存在著嚴重的病害，影響橋梁結構的安全、使用壽命、耐久性、行車安全。

（2）靜載試驗結果表明：嵩山路澧河橋在各工況試驗荷載作用下的各控制斷面應力測試結果顯示有部分測點的校驗系數大于0.9，個別測點的校驗系數最大達到0.99，說明結構實際狀況儲備不足，偏于不安全；主梁正彎矩控制斷面及負彎控制斷面殘余應變值普遍超過10%，個別測點殘余應變率最大值達到了《公路橋梁承載能力檢測評定規定》（JTG/TJ21-2011）第8.3.1條規定20%限值，表明箱梁結構在試驗荷載作用下有較大的不可恢復應變，結構實際狀況與理想狀況相比偏于不安全。

（3）動載試驗結果表明，嵩山路澧河橋橋梁結構實測基頻大于計算值，表明橋梁整體剛度滿足設計要求、實測沖擊系數均未超過計算沖擊系數。

（4）根據橋梁結構檢算結果可知：嵩山路沙河橋運營過程中在組合荷載作用下主梁和主塔壓應力滿足規范要求，但局部位置拉應力超過規范要求；斜拉索(邊跨最外側B12#索)最大應力為736MPa，大于規范要求的運營階段容許應[σ]=0.4 fpk= 668MPa。

（5）根據《城市橋梁養護技術規范》（CJJ99—2003）規定，上部結構裂縫嚴重，橫向裂縫最大跨度達到0.35mm，超過規范表5.4.2中限值要求（最大限值為0.1mm）；實測索力與設計索力偏差較大。

綜上5條結論，建議對此斜拉橋進行換索并加固。

3　斜拉索及梁體狀況

3.1斜拉索狀況

根據第2節特檢結論的第4和第5條，斜拉索實際運營狀態應力超出規范容許應力，且實測索力與設計索力偏差較大，通過表1表示索力的變化狀態，其中B表示邊跨方向，Bi（i=1……12），Z表示向河中跨方向，Zi（i=1……12）。

斜拉索的外觀狀態：

（1）斜拉索梁上將軍帽及鋼套筒銹蝕嚴重，斜拉索梁上內置減振器銹蝕嚴重；

（2）斜拉索梁上錨杯、螺母及錨墊板銹蝕嚴重，錨杯內部防護油脂干枯，抽查的梁上錨杯中發現其中B7#、B8#、Z5#索梁上錨杯內部有大量積水；

（3）塔上斜拉索錨杯防護罩整體銹蝕嚴重，個別斜拉索孔道附近表層混凝土塊脫落、斜拉索錨固齒塊邊角破裂、斜拉索錨固齒塊有修補跡象。

通過表1可知，實測總索力值比設計值大5%。北岸邊跨60m跨除B11、B8和B2索外，其他索的索力與設計值偏差在10%以內，索力變化量較小，索力變化主要由于混凝土結構受力體系的收縮、徐變造成，屬于正常現象。但是南岸中跨90m跨除Z1 和Z9外，其他索的索力與設計值偏差超過10%，最大偏差超過30%，索力較為異常。實測索力換算成應力，最大應力達656.6MPa，安全系數小于2.5。

理論索力與實測索力普遍存在較大偏差，個別索力已處于不合理狀態，說明箱梁的內力已發生重分布，從而導致梁體線形已失去原設計姿態，需要對現役橋梁進行換索、調索并對結構進行加固。

3.2梁體狀況

主梁整體狀況較好，主梁主要病害表現為混凝土外觀缺陷，如受水侵蝕、滲水、析白蜂窩、麻面、混凝土表面破損、露筋、鋼筋銹蝕及混凝土表面出現收縮裂縫。

表1　索力狀態測試結果

4　病害狀態成因分析

4.1斜拉索病害狀態成因分析

（1）密封罩內的密封膠老化失修從而失去密封效果，造成密封罩密閉性較差，很難做到完全密封不漏水。水進入鋼護筒，造成鋼護筒銹蝕，部分鋼護筒內還存在積水現象，個別鋼護筒已積滿水。

（2）鋼護筒內減震器及鐵鍥位置處原設計要求填注水泥砂漿，以達到密閉效果，從現場情況來看，均未做填注水泥砂漿處理，也未做填注固化油脂處理。

（3）錨墊板、錨箱、墩頭的銹蝕主要由于缺乏養護或養護不到位所致。防護油脂、防護漆會隨時間出現老化，油脂會結塊，防護漆會起皮脫落，從而失去防護作用，進而導致錨墊板等鋼組件出現銹蝕。出現銹蝕后未對銹蝕進行處理并進行二次防護，造成隨時間銹蝕狀況加劇。

（4）由于歷史原因，細節構造的不完善。如錨墊板上未設置排水槽，下錨點未設置防護罩等。

（5）由于施工原因，存在構件接觸連接點不嚴密，如鋼墊板與錨杯間密封不嚴、螺栓連接失效等。

4.2梁體病害狀態成因分析

（1）受水侵蝕、滲水、析白的主要原因是主梁頂板留孔洞太多，大部分未進行封堵或有效封堵，加上橋面破損嚴重、防水失效而發生滲漏水，導致主梁受水侵蝕；泄水管過短，未超出頂板底面，雨水沿頂板和縱梁流下，導致主梁受水侵蝕；泄水管與頂板接觸不密實而發生滲漏水，導致主梁受水侵蝕。

（2）主梁表面的蜂窩麻面主要是施工過程中振搗不密實、澆筑模板質量控制不好所致。

（3）主梁表面的破損主要是施工過程中碰撞所致。

（4）露筋原因主要有兩方面：一是混凝土破損而發生露筋；二是主梁保護層厚度不足造成露筋，主要是為避讓預應力管道而調整鋼筋位置，同時縱梁底部和邊角位置不易振搗，而發生孔洞露筋。

（5）鋼筋銹蝕原因主要有兩方面：一是露筋處鋼筋直接暴露在空氣中而發生銹蝕；二是局部位置鋼筋保護層過薄，或受水侵蝕加速了混凝土的碳化，或兩者同時存在，使混凝土碳化深度到達或接近鋼筋表面而發生銹蝕。

5　換索工序設計

（1）換索程序：由內索開始逐索更換直至外索；換索順序：同時拆除中跨Hi#索、邊跨Ai#索→同時安裝中跨Hi#索、邊跨Ai#索，再按上述順序重復更換i+1#拉索。

（2）在更換斜拉索時，每索均按設計給定的索力進行張拉錨定，待同一索號斜拉索均更換完畢后，全部的束再同時張拉進行索力調整，使其達到給定的索力。沒有特殊情況，該索不再進行二次張拉調索。

（3）同一索號的斜拉索更換完畢后，除進行索力影響面的測試外，還應該進行臨近點橋面的高程測量，根據測試數據，決定是否調整索力。

6　換索計算原則及結果分析

該橋斜拉索為單索面扇形布置，河側和岸側各設12根，全橋共計24根。岸側索距為4.2m，河側索距為6.3m。拉索號數由塔外向塔內側增大，有限元模型如圖2所示。

圖2　斜拉橋有限元計算模型

換索計算過程：

根據原施工圖和竣工圖，建立原橋模型→調整索力至2014年實測索力→去除舊欄桿、橋面鋪裝→由近及遠（距索塔）依次換索→更換欄桿、鋪裝新的橋面鋪裝。

換索過程中，新索的控制張拉力兼顧三方面：一是一次張拉到位，換索完成盡量不再調索；二是換索過程中主梁的應力控制在合理的范圍內；三是換索完成后主梁的應力（運營階段最不利組合）、位移及索塔的位移控制在合理的范圍之內。

6.1斜拉索計算結果

本次換索的成橋的索力見表2，調索索力值為原設計索力的72%～140%，調索索力值為2014年實測索力的93%～115%。

表2　索力表　kN

6.2換索后梁體計算結果

換索后，在最不利組合狀態下，調索前后梁體的應力狀態見表3。

表3　調索前后梁體應力　MPa

6.3換索后索力及梁體狀態總結

換索后，斜拉索索力均處于合理狀態，基本恢復為2014年索力狀態，梁體壓應力增加，拉應力有所減小。

7　結　語

斜拉索換索是為了延續結構壽命，提高承重部件的使用效率，替換原損傷索，改善結構內力與線形。因此,在設計前期，需要準確的計算換索前的線形與索力，使得換索后的線形與索力盡可能吻合目標索力與線形狀態。所采用的通過調索等技術措施來模擬結構換索前線形與索力的技術觀點和手段,對換索設計是有實用意義的。

[1]蔣偉平.斜拉橋換索理論及其技術問題的研究[D].成都:西南交通大學,2003.

[2]王文濤.斜拉橋換索工程[M].北京:人民交通出版社,1997.

[3]肖汝誠,項海帆.斜拉橋索力優化及其工程應用[J].計算力學學報,1998(1):118-125.

[4]李亞林.預應力混凝土斜拉橋加固理論與技術研究[D].重慶：重慶交通大學,2008.

[5]王文濤.斜拉橋換索工程[M].北京:人民交通出版社,1996.

U448.27

B

1009-7716（2016）11-0041-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.11.011

2016-09-09

尼宏杰（1964-），男，河南漯河人，高級工程師，從事市政工程設計工作。