斜塔無背索斜拉橋病害分析及加固方法

于 芳

（深圳市市政設計研究院有限公司，廣東 深圳 518029）

0 引言

改革開放以來，我國橋梁建設迎來了一個黃金時代，在這40年的發展過程中，橋梁設計理念也在不斷提升，在滿足最基本的功能性、安全性、經濟性的基礎上，越來越重視橋梁建筑的藝術造型和景觀設計。無背索斜拉橋是由傳統斜拉橋發展而來的一種結構形式，造型新穎、富有力感，憑借它獨特的景觀效果，在橋梁建設中展現了它的生命力。無背索斜拉橋至今僅有20余年的發展時間，多應用于城市橋梁。

經過20多年的發展與建設，該類型橋梁的病害也逐漸顯現出。本文以某無背索斜拉橋為工程案例，分析該類型橋梁的結構受力特點，結合橋梁的檢測報告，根據原設計方案和橋梁結構現狀，分析工程隱患及現有病害的成因，提出優化可靠的加固方案。

1 工程背景

該工程案例為某市區的獨塔雙索面無背索部分斜拉橋，預應力混凝土梁組合體系，跨徑布置30m+66m+30m，照片與立面圖如圖1所示。梁體采用肋式結構，橫向布置5片縱肋，次邊肋截面面積較大，不帶馬蹄，其余肋帶馬蹄。下部結構橋墩采用柱式墩身，下設承臺，承臺下設樁基礎。塔下墩與塔固結。橋臺采用耳墻式橋臺，下設樁基礎，樁基為摩擦樁。全橋支座為盆式橡膠支座，橋臺處每片肋下各一個，橋墩處次邊肋下各一個。

圖1 銅陵路橋照片和立面圖

2 斜塔無背索斜拉橋受力特點分析

斜塔無背索斜拉橋結構是利用斜塔的自重效應平衡主梁豎向荷載效應的一種傳力結構[1-3]。如果根據塔、梁兩者的荷載效應來劃分，也可以分為塔梁相當和塔輕梁重。其中，塔梁相當結構就是斜塔的自重效應和主梁豎向荷載效應相當，塔輕梁重結構是指斜塔的自重效應平衡主梁的部分荷載效應。

由塔、梁、索三者形成的結構體系是一種整體宏觀的靜力平衡狀態，斜塔根部在恒載作用下只承擔軸向壓力，彎矩為零。

塔梁相當橋梁結構若要使斜塔根部處于軸心受壓狀態，則拉索承重區域梁體的傾覆力矩等于主塔自重的抵抗力矩。恒載作用下，整體彎矩平衡公式如下：

式中：WT為主塔重量；LT為主塔重心距塔梁固結點的距離；WL為拉索區主梁重量；LL為拉索區主梁重心距塔梁固結點距離。

塔輕梁重橋梁結構在恒載作用下，整體彎矩平衡公式為

式中：ψ為豎向荷載分擔率（拉索分擔的豎向荷載/全部豎向荷載）。

該工程案例為塔輕梁重結構，在活載狀態下，斜塔和主梁各自承擔豎向荷載的比例是根據結構剛度分配的。當斜塔剛度降低時，則主梁承載的荷載增大；當主梁剛度降低時，則斜塔承擔的荷載增大。

3 橋梁病害類型與病害成因分析

3.1 病害類型

下述橋梁病害內容均根據該橋的“檢測報告”和“荷載試驗報告”所得。

3.1.1 縱梁病害

縱梁未見明顯病害。縱梁剛度和強度滿足要求，但剛度和強度的儲備不足。

3.1.2 橫梁病害

全橋橫梁共有81條豎向裂縫，總長188.7m，寬0.10～0.45mm。1條橫向裂縫，長2.8m，寬0.14mm；4條斜向裂縫，總長 8.2m，寬 0.18～0.24mm；2處蜂窩，1處蜂窩露筋，5處露筋。其中，裂縫主要分布在全橋的兩個邊跨，尤以塔下邊跨的開裂情況較為嚴重。部分裂縫檢測結果如圖2所示。橫梁雖然存在裂縫，但仍具有符合要求的剛度和強度，能與縱梁形成有效的結構體系。

3.1.3 索塔病害

圖2 塔下邊跨橫梁裂縫圖（寬度0.20 mm以上加粗）

索塔存在以下病害情況：1號索塔共有5條豎向裂縫，總長7.9m，最大寬度0.20mm；有11條橫向裂縫，總長38.72 m，最大寬度0.20 mm；有4條斜向裂縫，總長6.4m，最大寬度0.12mm；有3條U形裂縫，總長8.31m，最大寬度0.16mm；有1條L形裂縫，長1.6m，寬0.10mm；有1條縱向裂縫，長1.0m，寬 0.20mm；有 1處網裂，面積 0.245m2。2號索塔共有3條豎向裂縫，總長2.42m，最大寬度0.20mm；有27條橫向裂縫，總長16.85m，最大寬度0.20mm；有3條斜向裂縫，總長5.15m，最大寬度0.16mm；有1條U形裂縫，長0.17m，寬0.16mm。檢測結果如圖3、圖4所示。

圖3 1號索塔裂縫圖

3.1.4 拉索病害

實測斜拉索索力沿上、下游左右兩側基本對稱，沿主塔兩側基本對稱；實測索力左右幅2號和7號索索力與竣工索力相差較大。空橋狀態下實測索力與設計值相差小于3%，其余工況實測索力與設計值相差最大不超過16%。

圖4 2號索塔裂縫圖

3.2 病害成因分析

3.2.1 縱梁病害分析

根據“荷載試驗報告”，縱梁剛度和強度儲備不足，該橋的設計方案縱梁剛度偏大，如今荷載試驗顯示剛度和強度儲備不足，只可能有兩個原因：一是梁體嚴重開裂，剛度降低；二是傳遞的荷載有較大的增加[4]。從“檢測報告”結果來看，縱梁未出現明顯裂縫。因此發生縱梁剛度和強度儲備不足是由于斜塔的開裂引起的。

3.2.2 橫梁裂縫成因分析

橫梁預應力束的布束方案未能充分考慮縱向預應力反拱效應對橫梁產生的影響，也未能充分計入塔下縱梁對橫梁支點約束作用的變化，在荷載和活載作用下使塔下邊跨橫梁下緣和中跨跨中橫梁上緣產生了明顯的受拉區，其他受壓區域也存在預壓應力儲備不足的情況。鑒于此，不排除在車載、降溫等作用下使受拉區進一步發展、低預壓應力區轉而受拉等情況的產生，由此產生裂縫。

由于橫梁預應力作用存在的不合理因素，在負溫度梯度及整體降溫工況作用下，上述橫梁受拉區域的拉應力水平進一步提高。

3.2.3 索塔病害成因分析

U形裂縫和橫向裂縫多是斜塔受彎距作用開裂的裂縫。在索塔的設計思想中，在恒載作用下，索塔根部處于軸心受壓狀態，在恒載+活載共同作用下，活載通過拉索傳遞到斜塔上，塔體存在彎距作用。隨著交通量的日益增加，彎矩作用越大，如果存在超載現象，將更加加劇彎矩作用的增大。

縱向裂縫有可能是縱向預應力筋引起的混凝土局部劈裂。

3.2.4 拉索病害分析

實測索力左右幅2號和7號索索力與竣工索力相差較大，該橋縱梁作為主要受力構件，分擔了很大一部分豎向荷載，由于主塔存在開裂，剛度降低，所以縱梁承擔荷載增加，拉索的索力會有普遍降低，2號索和7號索有可能存在銹蝕或斷絲等截面損失情況，存在卸載現象，又增加了其他索體的索力。建議對2號索和7號索進行進一步檢測。

4 加固改造方法

結合上述的病害描述和病害成因分析，給出如下加固方案：

（1）縱梁采用底部粘貼鋼板加固方法，可以提高縱梁的承載能力儲備。

（2）為提高橫梁剛度，限制裂縫開展，橫梁采用體外預應力鋼束加固方法或者橫向構件頂部和底部粘貼鋼板加固方法。該加固方法可以改善鋼筋及混凝土的應力狀態，提高梁的承載力儲備。

（3）斜塔沿高度增加配重，平衡縱梁上的豎向荷載，解決縱梁剛度不足的問題。塔的底部區域前、后表面粘貼鋼板，增加斜塔的抗裂性能。

（4）建議對索體左右幅2號和7號索進行進一步的檢測，如發現銹蝕建議換索。

5 結 語

（1）由于斜塔無背索斜拉橋是利用斜塔的自重效應平衡主梁豎向荷載效應的一種傳力結構，荷載檢測試驗提示縱梁存在剛度不足時，如果不是縱梁自身的剛度退化，很可能是索塔剛度退化引起的。

（2）斜塔無背索斜拉橋在進行縱梁的結構加固時，可考慮增加斜塔的負重，來減小縱梁承擔的豎向荷載，提高整橋的承載能力。

（3）橫梁設計中應考慮縱梁預應力的反拱效應和縱梁對橫梁各節點的支撐作用。