尼宏杰，尼颖升

（1.漯河市市政管理处，河南 漯河 462000；2.交通运输部公路科学研究院，北京市 100088)

独塔单索面混凝土斜拉桥换索技术研究

尼宏杰，尼颖升

（1.漯河市市政管理处，河南 漯河 462000；2.交通运输部公路科学研究院，北京市 100088)

由于斜拉索的防护技术不尽完善,斜拉桥在运营若干年后,不可避免地会出现斜拉索腐蚀问题。为保证桥梁安全运营,国内外一些斜拉桥不得不进行换索。通过对一座独塔单索面斜拉桥的病害状况、成因分析、换索过程及换索效果进行阐述，以期为此类斜拉桥的换索提供技术支撑。

独塔；单索面；斜拉桥；换索；加固

0　引　言

在过去的60年间，世界各地修建了数百座斜拉桥，我国也有近百座。由于斜拉索的防护技术不尽完善,拉索施工质量不过关或养护不当,在桥梁运营若干年后,不可避免地会出现斜拉索腐蚀问题。为保证桥梁的安全和继续运营，国内外一些斜拉桥(如:委内瑞拉的马拉开波湖桥、英国的伍埃桥、我国的济南黄河大桥等)必须换索[1]。因此,斜拉桥换索是一个有必要研究的课题。

斜拉桥的受力特点之一就是其自重引起的内力和变形可以通过调整斜拉索的张拉力而人为地进行调整,因此进行斜拉桥设计时设计者可以选定自己满意的恒载内力状态和线形,即设计成桥阶段理想状态,这与其他桥型的桥梁设计并不相同，但是实现这一理想状态的施工过程漫长而复杂,影响达到理想状态的因素很多。由于结构分析计算图式、结构设计参数(弹性模量、截面特征)、混凝土的收缩徐变计算的误差，以及施工控制因素的变化等原因,斜拉桥竣工后的线形与内力不可避免地与设计目标有偏差[2]。

竣工后的桥梁经多年运营后与目标状态的偏差会在原来的基础上进一步发展,其主要原因如下：

（1）桥梁在运营期间因二期恒载增加而导致索力和主梁线形的变化；

（2）斜拉索中钢材松弛、锈蚀断裂的影响；

（3）对于混凝土斜拉桥,混凝土徐变的影响很显著,徐变变形引发全桥恒载内力的重分布,导致全桥的内力和线形发生变化；

（4）环境因素对斜拉桥内力的影响。

综上所述,实际结构偏离理想状态的现象总是客观存在的,而斜拉桥的特点之一便是可通过调索人为地调整全桥的线形与内力。因此,斜拉桥换索工程的目的与任务在于:在更换已“老化”的斜拉索,提高结构承载能力的同时,利用换索时机,对全桥的线形和内力通过调整索力纠正其对设计理想状态的偏差,改善全桥的线形和内力[3]。

换索设计如果只是简单地以新索代替原来已被严重腐蚀的索,不会对全桥的线形、内力有所改善,使得桥梁仍然存在受力不合理的安全隐患。这也是常规换索设计的主要不足之处。对于已建成并运营多年的斜拉桥,在换索过程中能够对桥梁线形和内力进行调整的仅有索力一项。要改善结构的线形和内力,使其达到或接近设计理想状态,就必须在更换斜拉索的同时,对各斜拉索的索力进行调整，对全桥索力进行优化。国内许多学者对斜拉桥的索力优化问题进行了研究[4],提出了许多方法。斜拉桥的索力优化可以分为两大类:成桥索力的优化和施工索力的优化。根据研究对象所处于的阶段的不同,成桥索力的优化可分为设计阶段的成桥索力优化、已设计好未施工的成桥索力优化和已营运的成桥索力优化[5]。换索过程中索力优化（调整）属于已营运的成桥索力优化问题。

本文针对一座独塔单索面斜拉桥的病害状况、成因分析、换索过程及换索效果进行阐述，以期为此类斜拉桥的换索提供技术支撑。

1　工程概况

嵩山路澧河桥位于河南省漯河市西南，是漯河市嵩山路上重点咽喉工程。嵩山路澧河桥为独塔两跨单索面斜拉桥，桥跨布置为60m+90m。桥面宽度为：0.5m安全带+8.5m行车道+1.0m中央分隔带+8.5m行车道+0.5m安全带，桥面全宽19m。设计荷载：汽车—超20级，挂车—120。

大桥于1997年竣工，现已运营近20年。图1为结构的立面和侧面。

图1　主桥立面图（单位：m）

2　特检结论

（1）外观及无损检测结果表明嵩山路澧河桥桥面系、上部结构、下部结构均存在着严重的病害，影响桥梁结构的安全、使用寿命、耐久性、行车安全。

（2）静载试验结果表明：嵩山路澧河桥在各工况试验荷载作用下的各控制断面应力测试结果显示有部分测点的校验系数大于0.9，个别测点的校验系数最大达到0.99，说明结构实际状况储备不足，偏于不安全；主梁正弯矩控制断面及负弯控制断面残余应变值普遍超过10%，个别测点残余应变率最大值达到了《公路桥梁承载能力检测评定规定》（JTG/TJ21-2011）第8.3.1条规定20%限值，表明箱梁结构在试验荷载作用下有较大的不可恢复应变，结构实际状况与理想状况相比偏于不安全。

（3）动载试验结果表明，嵩山路澧河桥桥梁结构实测基频大于计算值，表明桥梁整体刚度满足设计要求、实测冲击系数均未超过计算冲击系数。

（4）根据桥梁结构检算结果可知：嵩山路沙河桥运营过程中在组合荷载作用下主梁和主塔压应力满足规范要求，但局部位置拉应力超过规范要求；斜拉索(边跨最外侧B12#索)最大应力为736MPa，大于规范要求的运营阶段容许应[σ]=0.4 fpk= 668MPa。

（5）根据《城市桥梁养护技术规范》（CJJ99—2003）规定，上部结构裂缝严重，横向裂缝最大跨度达到0.35mm，超过规范表5.4.2中限值要求（最大限值为0.1mm）；实测索力与设计索力偏差较大。

综上5条结论，建议对此斜拉桥进行换索并加固。

3　斜拉索及梁体状况

3.1斜拉索状况

根据第2节特检结论的第4和第5条，斜拉索实际运营状态应力超出规范容许应力，且实测索力与设计索力偏差较大，通过表1表示索力的变化状态，其中B表示边跨方向，Bi（i=1……12），Z表示向河中跨方向，Zi（i=1……12）。

斜拉索的外观状态：

（1）斜拉索梁上将军帽及钢套筒锈蚀严重，斜拉索梁上内置减振器锈蚀严重；

（2）斜拉索梁上锚杯、螺母及锚垫板锈蚀严重，锚杯内部防护油脂干枯，抽查的梁上锚杯中发现其中B7#、B8#、Z5#索梁上锚杯内部有大量积水；

（3）塔上斜拉索锚杯防护罩整体锈蚀严重，个别斜拉索孔道附近表层混凝土块脱落、斜拉索锚固齿块边角破裂、斜拉索锚固齿块有修补迹象。

通过表1可知，实测总索力值比设计值大5%。北岸边跨60m跨除B11、B8和B2索外，其他索的索力与设计值偏差在10%以内，索力变化量较小，索力变化主要由于混凝土结构受力体系的收缩、徐变造成，属于正常现象。但是南岸中跨90m跨除Z1 和Z9外，其他索的索力与设计值偏差超过10%，最大偏差超过30%，索力较为异常。实测索力换算成应力，最大应力达656.6MPa，安全系数小于2.5。

理论索力与实测索力普遍存在较大偏差，个别索力已处于不合理状态，说明箱梁的内力已发生重分布，从而导致梁体线形已失去原设计姿态，需要对现役桥梁进行换索、调索并对结构进行加固。

3.2梁体状况

主梁整体状况较好，主梁主要病害表现为混凝土外观缺陷，如受水侵蚀、渗水、析白蜂窝、麻面、混凝土表面破损、露筋、钢筋锈蚀及混凝土表面出现收缩裂缝。

表1　索力状态测试结果

4　病害状态成因分析

4.1斜拉索病害状态成因分析

（1）密封罩内的密封胶老化失修从而失去密封效果，造成密封罩密闭性较差，很难做到完全密封不漏水。水进入钢护筒，造成钢护筒锈蚀，部分钢护筒内还存在积水现象，个别钢护筒已积满水。

（2）钢护筒内减震器及铁锲位置处原设计要求填注水泥砂浆，以达到密闭效果，从现场情况来看，均未做填注水泥砂浆处理，也未做填注固化油脂处理。

（3）锚垫板、锚箱、墩头的锈蚀主要由于缺乏养护或养护不到位所致。防护油脂、防护漆会随时间出现老化，油脂会结块，防护漆会起皮脱落，从而失去防护作用，进而导致锚垫板等钢组件出现锈蚀。出现锈蚀后未对锈蚀进行处理并进行二次防护，造成随时间锈蚀状况加剧。

（4）由于历史原因，细节构造的不完善。如锚垫板上未设置排水槽，下锚点未设置防护罩等。

（5）由于施工原因，存在构件接触连接点不严密，如钢垫板与锚杯间密封不严、螺栓连接失效等。

4.2梁体病害状态成因分析

（1）受水侵蚀、渗水、析白的主要原因是主梁顶板留孔洞太多，大部分未进行封堵或有效封堵，加上桥面破损严重、防水失效而发生渗漏水，导致主梁受水侵蚀；泄水管过短，未超出顶板底面，雨水沿顶板和纵梁流下，导致主梁受水侵蚀；泄水管与顶板接触不密实而发生渗漏水，导致主梁受水侵蚀。

（2）主梁表面的蜂窝麻面主要是施工过程中振捣不密实、浇筑模板质量控制不好所致。

（3）主梁表面的破损主要是施工过程中碰撞所致。

（4）露筋原因主要有两方面：一是混凝土破损而发生露筋；二是主梁保护层厚度不足造成露筋，主要是为避让预应力管道而调整钢筋位置，同时纵梁底部和边角位置不易振捣，而发生孔洞露筋。

（5）钢筋锈蚀原因主要有两方面：一是露筋处钢筋直接暴露在空气中而发生锈蚀；二是局部位置钢筋保护层过薄，或受水侵蚀加速了混凝土的碳化，或两者同时存在，使混凝土碳化深度到达或接近钢筋表面而发生锈蚀。

5　换索工序设计

（1）换索程序：由内索开始逐索更换直至外索；换索顺序：同时拆除中跨Hi#索、边跨Ai#索→同时安装中跨Hi#索、边跨Ai#索，再按上述顺序重复更换i+1#拉索。

（2）在更换斜拉索时，每索均按设计给定的索力进行张拉锚定，待同一索号斜拉索均更换完毕后，全部的束再同时张拉进行索力调整，使其达到给定的索力。没有特殊情况，该索不再进行二次张拉调索。

（3）同一索号的斜拉索更换完毕后，除进行索力影响面的测试外，还应该进行临近点桥面的高程测量，根据测试数据，决定是否调整索力。

6　换索计算原则及结果分析

该桥斜拉索为单索面扇形布置，河侧和岸侧各设12根，全桥共计24根。岸侧索距为4.2m，河侧索距为6.3m。拉索号数由塔外向塔内侧增大，有限元模型如图2所示。

图2　斜拉桥有限元计算模型

换索计算过程：

根据原施工图和竣工图，建立原桥模型→调整索力至2014年实测索力→去除旧栏杆、桥面铺装→由近及远（距索塔）依次换索→更换栏杆、铺装新的桥面铺装。

换索过程中，新索的控制张拉力兼顾三方面：一是一次张拉到位，换索完成尽量不再调索；二是换索过程中主梁的应力控制在合理的范围内；三是换索完成后主梁的应力（运营阶段最不利组合）、位移及索塔的位移控制在合理的范围之内。

6.1斜拉索计算结果

本次换索的成桥的索力见表2，调索索力值为原设计索力的72%～140%，调索索力值为2014年实测索力的93%～115%。

表2　索力表　kN

6.2换索后梁体计算结果

换索后，在最不利组合状态下，调索前后梁体的应力状态见表3。

表3　调索前后梁体应力　MPa

6.3换索后索力及梁体状态总结

换索后，斜拉索索力均处于合理状态，基本恢复为2014年索力状态，梁体压应力增加，拉应力有所减小。

7　结　语

斜拉索换索是为了延续结构寿命，提高承重部件的使用效率，替换原损伤索，改善结构内力与线形。因此,在设计前期，需要准确的计算换索前的线形与索力，使得换索后的线形与索力尽可能吻合目标索力与线形状态。所采用的通过调索等技术措施来模拟结构换索前线形与索力的技术观点和手段,对换索设计是有实用意义的。

[1]蒋伟平.斜拉桥换索理论及其技术问题的研究[D].成都:西南交通大学,2003.

[2]王文涛.斜拉桥换索工程[M].北京:人民交通出版社,1997.

[3]肖汝诚,项海帆.斜拉桥索力优化及其工程应用[J].计算力学学报,1998(1):118-125.

[4]李亚林.预应力混凝土斜拉桥加固理论与技术研究[D].重庆：重庆交通大学,2008.

[5]王文涛.斜拉桥换索工程[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，高级工程师，从事市政工程设计工作。