[摘要] 1 绪论1 1 课题研究背景斜拉桥的桥面体系是以主梁受压或受弯
1 绪论
1.1 课题研究背景
斜拉桥的桥面体系是以主梁受压或受弯为主，而其支承体系是以拉索受拉和索塔受压为主。斜拉索由桥塔上部引出并多点弹性支承于桥跨，这样的结构形式使斜拉桥的主梁受力类似于连续梁，从而大大降低了主梁截面弯矩，有效地提高了主梁的跨越能力。斜拉桥最早出现于十七世纪，由于受到当时科技水平的限制和缺乏可靠的理论分析方法,斜拉桥结构体系没有得到很大的发展。再者,十九世纪初修建的斜拉桥如英格兰 Teweed River 桥和德国 Saale River 桥相继倒塌,使得这种结构体系没有得到重视和发展[2,3]。1938 年,德国工程师Dishinger 重新认识到了斜拉桥的优越性,并对其进行了研究,他设计的瑞典Stromsund Bridge(主跨 182 米)是现代斜拉桥的一个重要的里程碑,此后斜拉桥得到了迅速的发展[4-6]。从斜拉桥的结构形式和主梁、索塔、斜拉索三大构件的受力特征看，斜拉桥具有形式多样、造型美观、主梁高度不高、跨越能力强等特点；斜拉桥的设计结构特点包括计算机结构分析和计算、高次超静定结构、应用有限单元法；与其它桥型相比，斜拉桥的特性包括：斜拉桥是跨径 250m～600m 的最合适桥型，而斜拉跨径 600m～1000m 时，斜拉桥是仅次于悬索桥的合适桥型[7]。由于斜拉桥的种种优点，斜拉桥已广泛应用于现代城市建设并成为大跨度桥梁中最主要的桥型之一[8]。然而，在斜拉桥的运营过程中，由于频繁承载甚至承受超载，加上长期的自然侵袭以及人为事故造成的损坏，斜拉桥会产生各种病害。随着服役年限的增长，桥梁发生病害的部位会越来越多，损坏程度也会越来越严重[9]。斜拉索是斜拉桥的核心组成部分，现用的斜拉索绝大多数为钢制斜拉索，但钢斜拉索存在很多问题，如振颤、锈蚀、锚固点的应力疲劳等。其中斜拉索及其锚具的锈蚀问题尤为显着，由于斜拉索锈蚀而导致斜拉桥被迫换索已经占到了相当高的比例[10]。另外，斜拉索是长大的柔性构件,在风力、地震力等其他自然及人为动力影响时容易发生振动，振幅过大也可能使主梁产生较大的振动,使人产生不安全感,对运输产生不良的影响[11]。
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1.2 国内外研究现状
委内瑞拉 1960 年竣工的 Maracaibo Bridge[12]，在 1974～1978 年间，发现有钢丝断裂。1978 年底组织的检查中发现断丝超过 500 根。1979 年 2 月其中一个桥墩上，一根斜拉索由于腐蚀而造成突然断裂。经实桥核查表明：全桥 192 根拉索中有 24 根属于严重损坏[13,14]。德国 1974 年竣工的 Kohlbrand EstuaryBridge[15]，1976 年进行拉索检查时发现 25 根断丝，其拉索采用封闭索，曾作 4层涂料防锈，但仍有水从索上端渗入到斜拉索的内部，造成拉索严重锈蚀。中国 1990 年竣工的犍为岷江桥，运营 10 年后发现斜拉索 PE 护套出现断裂，33束平行钢丝断丝严重，占总数的 17.2%；桥梁线形发生变化，比原设计最大下挠达 25cm，两主塔柱略有内弯。1999 年、2000 年对大桥进行检测及加固，发现斜拉索 PE 保护层严重开裂、断裂或损伤[16]。加拿大 Annacis Bridge[17]，1988 年竣工后运行不久，混凝土桥面板就有大量不同类型的裂缝出现，裂缝与大桥轴线方向垂直，贯穿其横断面，分布在大桥主跨中部 100m 范围内及岸跨端部附近[18]。银盆岭湘江大桥 1991 年投入运营，2003 年对大桥进行检测时发现斜拉索钢丝锈蚀率达到 80%，部分斜拉索已进入严重锈蚀甚至断丝状态[19]。上海 1975 年竣工的新五桥，经过 16 年运营后，桥梁已无法承受通行等级载荷作用，桥体各部位均有不同程度的病害，斜拉索保护层多处开裂，严重处内部钢筋已出现锈蚀。济南 1982 年竣工的黄河公路大桥，1995 年检查大桥时发现主梁顶板出现纵向裂缝，横隔板与斜腹板亦出现裂缝，拉索防护局部破损，斜拉索已被严重腐蚀。逐一对 272 根拉索进行检测，实测索力较设计值最大差别达到 9.14%。广东 1988年竣工的南海九江桥，运营至 1990 年，主梁下挠值已达 16cm，为改善主梁，进行了一次调索。1997 年检查时，发现有拉索 PE 套管破损，内部钢丝锈蚀严重，部分拉索振幅过大等。索力测试结果与 1990 年调索后相比总索力有所增加。1998年检测，发现拉索 PE 护层严重破坏，拉索钢丝严重锈蚀[20]。
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2 工程概况
2.1 桥梁概况
该实例斜拉桥工程位于我国中部某省，横跨澧河。该桥的养护类别属于Ⅰ类养护的城市桥梁。桥梁竣工于 1997 年 10 月，经检测分析后，2015 年进行换索加固施工。该桥为独塔单索面斜拉桥，桥跨布置为 60m+90m。桥面全宽 19m，横断面布置为：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。桥梁设计荷载等级为：汽车-超 20 级，挂车-120。桥梁总体布置如图2.1 所示，主梁横断面图如图 2.2 所示，主塔立面如图 2.3 所示。桥梁侧面照和俯视图分别如图 2.4 和图 2.5 所示。桥梁为塔、梁、墩固结的刚构体系。主塔采用钻石型，斜拉索呈扇型布置，主梁为箱梁结构。桥台为单柱式排桩，钻孔灌注桩基础。主塔、主梁采用 C50混凝土，承台采用 C25 混凝土，桩基采用 C20 混凝土。主梁设有纵横向预应力，其中岸跨为实体箱梁，河跨为单箱双室混凝土箱梁，梁高 180cm，顶板厚 25cm，底板厚 25cm，翼缘板悬臂长度 375cm，箱梁顶板宽 1900cm，底板宽 1150cm。斜拉索采用低松弛镀锌高强平行钢丝索，抗拉标准强度 fpk=1670MPa。全桥斜拉索 12 对共 24 根，根据索力的不同，共采用 SNS7-151、SNS7-163 及 SNS7-187三种规格。斜拉索在塔上采用交叉锚固形式，河跨索锚固在塔柱中心线上，岸跨索则交错分布锚固在塔柱中心线两侧，塔上索间距为 1.6m～2.6m。斜拉索在梁上锚固于主梁截面中腹板位置梁底面，索间距为 4.0m～6.5m。桥梁下塔柱和中塔柱均采用矩形截面，下塔柱顺桥向宽 350cm，横桥向为变宽度，最宽为 300cm；中塔柱顺桥向宽 350cm，横桥向宽 200cm；上塔柱采用工字型截面，顺桥向宽 350cm，横桥向宽 200cm，顺桥向边、河跨两侧分别挖空40cm，供斜拉索锚固用。
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2.2 桥梁维修加固研究方案
本桥维修加固的研究工作首先是对桥梁进行外观、索力和承载力检测并进行结构检算，然后利用有限单元法建立模型，结合实际检测数据分析给出桥梁施工控制参数并提出桥梁结构加固方案，再对桥梁加固过程进行监控，最后通过桥梁荷载试验与索力检测验证加固效果。桥梁外观检查是发现缺损和病害的重要手段，其在桥梁技术状况评定、承载能力评定及维修加固等养护管理等方面具有基础性地位。外观检查在桥梁养护系统中的作用可归纳为以下几点：（1）通过详细的外观检查，确定桥梁各病害的位置、严重程度及是否对该桥的安全运营造成隐患，对整桥技术状况进行评定；（2）分析相关病害可能产生的原因并提出相应的处置建议；（3）为所检查的桥梁建立健康档案及安全运营档案；（4）为制订维修加固方案和加固设计提供依据。针对该斜拉桥的外观检查，桥梁总体技术状况评定判断为不合格，外观检查结果也为下一步的加固维修提供了基础资料。
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3 有限元模型及仿真计算.......29
3.1 有限元模型的建立........29
3.2 材料参数与荷载.....30
3.3 斜拉索初张力的确定....31
3.4 施工过程中主塔偏位计算..........33
3.5 施工过程中主梁应力计算..........34
3.6 施工过程中主梁挠度计算..........37
3.7 施工过程中斜拉索索力计算......39
4 斜拉桥换索施工监控....41
4.1 监控内容..........41
4.2 监测方法..........42
4.3 斜拉索索力监控结果....44
4.4 主梁线形监测.........56
4.5 主梁应力监测结果........70
4.6 主塔偏位监测结果........71
4.7 支座更换梁体顶升监测.......71
4.8 监控整体结论.........72
5 加固后桥梁荷载试验与索力检测.... 73
5.1 静载试验..........73
5.2 动载试验..........78
5.3 索力检测..........79
5.4 加固前后桥梁荷载试验结果与索力对比.......81
5 加固后桥梁荷载试验与索力检测
加固后的桥梁荷载试验与索力检测可以对桥梁加固效果起到直接的判定作用。通过对加固后桥梁进行荷载试验与索力检测，还可以与加固前相关测试数据进行对比分析，定量、直观地对加固前后的桥梁整体状况进行对比分析。
5.1 静载试验
根据有限元计算结果及其结构体系的受力特点，选择主梁、主塔主要的控制断面进行应变测试，通过对控制断面的试验测试，分析和掌握桥梁总体的受力状况，这些控制断面主要有：（1）活载作用下，主梁弯矩最大处在中跨 3/4 断面附近。在中跨 3/4 跨箱梁底板上布置应变测点，测试在试验荷载作用下箱梁的应变变化；（2）在边跨和中跨的跨中断面的箱梁底板上布置应变测点，测试在试验荷载作用下箱梁的应变变化；（3）在主梁和主塔下横梁附近 2.5m 处的中跨主梁断面布置单向应变测点，测试在试验荷载作用下主梁的受力情况；（4）在主塔和桥面交接处向上约 1m 处的主塔断面布置单向应变测点，测试在试验荷载作用下主塔的受力情况；（5）在活载作用下，斜拉索拉力增量较大的为 Z4#～Z6#斜拉索，测试在试验荷载作用下 Z4#～Z6#斜拉索索力。
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结论
本文实例斜拉桥属于Ⅰ类养护的城市桥梁，针对实际检测桥梁存在的安全隐患问题，论文开展了相应的理论分析与试验检测工作，并制定出详细的维修加固方案。主要研究结论如下：
（1）现场实际检测结果表明，斜拉索索力与设计索力偏差较大，承载力下降，桥梁结构安全储备不足。静载试验表明箱梁结构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。
(2）基于理论分析，建立了澧河斜拉桥有限元分析模型，对比实际检测结果，分析给出索力、关键截面应变（应力）增量、温度、主梁线形、主塔偏位等施工监控参数的合理控制范围。通过对斜拉索索力、桥梁挠度、主梁应力、主塔偏位以及桥梁顶升等项目的监控过程，确保了在加固过程中的施工安全和数据线性的控制，实现了监控测量结果的实时可控。
（3）成桥后斜拉索索力和成桥线形经检测均在设计要求以及控制允许范围以内。载荷试验表明，斜拉索索力增量实测值小于计算值，主梁正弯矩控制断面及负弯控制断面残余比小于 10%，各工况荷载作用下的桥梁控制断面测试结果显示校验系数普遍小于 0.9，结构有一定安全储备。加固前后桥梁荷载试验、索力对比验证了论文研究与提出加固方案的可行与正确。
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参考文献（略）
