斜拉桥独塔单索面非对称斜拉桥研究资料Word文件下载.docx
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委内瑞拉Maracaibo桥、法国St.Nazaire桥和美国Paso-Kennewick桥都是因为斜拉索的防护缺陷，导致在远低于使用寿命时就进行了换索。
马健中、许志刚、武志斌[15]，依据风陵渡黄河大桥的变形检测结果和病害现状，在分析病害成因和现状桥梁内力分布的基础上，提出用矮塔斜拉结构改变结构受力体系的改造加固方案，并进行了相关内力分析。
李宏江、李万恒、张劲泉等[16]，以天津永和大桥维修工程为背景，提出了合龙段置换加固技术，其实现的技术途径主要包括原合龙段拆除，合龙段重建并加强。
李亚林[17]，以天津永和大桥加固维修工程为背景，分析与总结斜拉桥出现病害的情况与原因并介绍了斜拉桥的常规检测评定工作，最后应用MADIS软件建立了该桥计算模型，换索结构计算分析内容包括：
斜拉索索力、主梁线形与弯曲应力、桥塔最大水平位移的变化情况。
姜军[18]，从工程实践的角度出发，对斜拉桥的病害进行了分析与总结，详细介绍了斜拉桥的常规检测与评定、斜拉桥的实桥荷载试验检定、斜拉桥的维修与加固方法，并结合斜拉桥的换索工程实例说明斜拉桥的处治与加固情况。
1.3本文主要研究内容
已有研究成果表明国内外学者对斜拉桥的研究主要在桥梁病害问题及成因分析上，而对斜拉桥的荷载试验及承载能力检算研究相对较少，尤其对独塔单索面非对称斜拉桥研究则更少。
本文以某斜拉桥-独塔单索面非对称斜拉桥为对象，开展桥梁病害检测及荷载试验，结合理论分析提出优化维修加固方案及相应的施工监控措施，主要研究内容如下：
（1）总结斜拉桥病害检测及加固国内外研究现状，分析了影响斜拉桥安全的外观病害、斜拉索索力等因素的规律特征。
（2）结合实际工程检测数据，分析提出更换桥面铺装层、主梁加固、斜拉索更换等桥梁的优化维修加固方案。
（3）建立了有限元分析模型，理论研究给出了桥梁关键截面应变（应力）增量、温度、主梁线形、主塔偏位、斜拉索索力等施工监控参数的合理控制范围。
（4）制定维修加固措施，并对加固后桥梁技术状况、索力进行测试和荷载试验，验证了论文研究结论的可行与安全。
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，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50号混凝土，承台采用25号混凝土，桩基采用20号混凝土。
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。
图2.1桥梁总体布置图（单位：
cm）
（a）河跨主梁标准断面
（b）岸跨主梁标准断面
图2.2主梁标准横断面图（单位：
图2.3桥梁主塔立面图（单位：
图2.4桥梁侧面照
图2.5桥梁俯视图
2.2桥梁维修加固研究方案
（补两句文字！
！
）
桥梁外观检测及技术状况评定
斜拉索索力检测
加固前检测
某斜拉桥维修加固控制分析
桥梁结构检算
桥梁荷载试验
有限元模型及仿真计算
斜拉索索力监测
主梁线形监测
换索施工监控
主梁应力监测
主塔偏位监测
支座更换梁体顶升监测
桥梁荷载试验
加固后的检测斜拉索索力检测
加固前后荷载试验与索力的对比
图1.1桥梁维修加固方案图
2.2桥梁服役现状及问题分析
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。
2.2.1桥面系检测结果
桥面系检测结果见表2.1所示：
表2.1桥面系病害检测结果
检测位置
桥梁病害
桥面铺装
桥面铺装4处纵横交错裂缝、2处局部网裂、破碎
护栏
两侧护栏及中间隔离栏锈蚀严重，防护栏杆基座局部破损、露筋
伸缩缝
南北岸伸缩缝装置堵塞
泄水孔
桥面泄水孔堵塞
图2.6防护栏杆基座破损、露筋
2.2.2上部结构检测结果
上部结构检测结果见表2.2所示：
表2.2上部结构病害检测结果
位置
边跨60m跨
靠下横梁1.5m处局部破损、露筋
梁体翼缘渗水、泛白严重
梁底表观质量差、蜂窝麻面
B2#索锚固截面腹板竖向裂缝（L=1.7m，w=0.23mm）
B2#索锚固截面附近混凝土表面大面积腐蚀、颗粒松散脱落
B5#索锚固截面附近底板边缘破损
B5#索锚固截面附近东西两侧翼缘渗水
B9#索锚固截面附近梁节段接缝处翼缘渗水、泛白
B9#索锚固截面附近腹板纵向裂缝
B11#~B12#索锚固截面之间梁节段接缝错台明显
中跨90m跨
梁体各节段间下缘呈折线型
梁体腹板中间位置有纵向通常修补痕迹
梁体翼缘节段接缝处渗水、泛白
Z2#索锚固截面附近梁底斜裂缝（L1=1.1m,w1=0.21mm；
L2=0.6m,w2=0.12mm）
Z2#索锚固截面附近梁体底板吊带孔未封闭、梁底板露筋、锈蚀
Z3#~Z4#索锚固区域之间梁底多处破损修补痕迹
Z3#~Z4#索锚固区域之间梁底板露筋
Z4#~Z5#索锚固区域之间梁底板露筋、混凝土质量差（面积=2.6×
3.8m）
Z4#~Z5#索锚固区域之间梁底板纵向裂缝、渗水、泛白
Z4#~Z5#索锚固区域之间梁底板大面积修补
Z5#索锚固截面附近边腹板外侧面纵向裂缝、梁底面横向裂缝、渗水、泛白
Z5#~Z7#斜拉索梁端锚杯露出底板
Z5#~Z7#索锚固区域之间梁底板大面积修补
Z6#索锚固截面附近东侧腹板斜裂缝、梁底空鼓
Z6#索锚固截面附近西侧腹板纵向裂缝
Z6#索锚固截面附近梁体翼缘板渗水、泛白
Z6#~Z7#索锚固区域之间梁底板蜂窝、麻面
Z7#~Z8#索锚固区域之间梁底板泄水孔附近露筋
Z7#索锚固截面附近东侧梁底横向裂缝（L=2.8m,w=0.20mm）
Z8#索锚固截面附近沿梁节段接缝横向贯通裂缝
Z8#索锚固截面附近距离梁节段接缝20cm处多条缝横向裂缝
（最长贯通，最短0.7m，w=0.13~0.25mm）
Z9#索锚固截面附近沿梁节段接缝横向贯通裂缝
Z9#索锚固截面附近距离梁节段接缝50cm处多条缝横向裂缝（L=1.5~4m,w=0.18~0.35mm）
Z11#索锚固截面附近距离梁节段接缝30cm处2条缝横向裂缝
（L1=3.3m,w1=0.26mm；
L2=0.8m,w2=0.20mm）
Z11#~Z12#索锚固截面区域之间大面积蜂窝、麻面
Z12#索锚固截面~梁端区域之间多条横向裂缝
（L=0.4~2.0m,w=0.12~0.25mm）
塔柱
塔柱多点露筋、锈蚀
表面污染严重
混凝土局部破损
塔柱顶避雷装饰球体外表面破损
图2.7边跨B5#索锚固截面附近底板边缘破损
图2.8塔柱表面多点露筋锈蚀
2.2.3斜拉索检测结果
斜拉索锚固检测结果见表2.3所示：
表2.3下部结构病害检测结果
梁上斜拉索锚固
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
边跨B2#斜拉索梁上锚杯、螺母及锚垫板锈蚀严重
边跨B4#斜拉索梁上锚杯、螺母及锚垫板锈蚀严重、锚杯外有物体缠裹
边跨B5#斜拉索梁上锚杯、螺母及锚垫板锈蚀严重、内部防护油脂干枯
边跨B6#斜拉索梁上锚杯、螺母及锚垫板锈蚀严重、内部防护油脂干枯
边跨B7#斜拉索梁上锚杯、螺母及锚垫板锈蚀严重、内部积水，锚杯内部锈蚀严重、防护油脂干枯
边跨B8#斜拉索梁上锚杯内部大量积水，锚杯、螺母及锚垫板锈蚀严重、防护油脂干枯
中跨Z2#斜拉索梁上锚杯、螺母及锚垫板锈蚀严重
中跨Z5#斜拉索梁上锚杯、螺母及锚垫板锈蚀严重，内部防护油脂干枯
中跨Z5#斜拉索梁上锚杯内积水
中跨Z6#斜拉索梁上锚杯、螺母及锚垫板锈蚀严重，内部防护油脂干枯
中跨Z7#斜拉索梁上锚杯、螺母及锚垫板锈蚀严重
塔上斜拉索锚固
斜拉索锚杯防护罩整体锈蚀严重
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
图2.9斜拉索梁上内置减振器锈蚀严重
图2.10塔上斜拉索锚杯防护罩锈蚀严重
2.2.4下部结构检测结果
下部结构检测结果见表2.4所示：
表2.4下部结构病害检测结果
0#桥台
0#桥台被隐藏
2#桥台
桥台上堆放垃圾、露筋、支座锈蚀、桥台竖向斜裂缝、盖梁渗水、泛
白、护坡开裂
图2.112#桥台竖向斜裂缝
图2.122#桥台护坡开裂图2.132#桥台盖梁渗水、泛白
2.2.5桥梁总体技术状况况评定结果
公路桥梁技术状况是指桥梁结构或构件各方面技术特征的总称，公路桥梁技术状况评定是对桥梁的使用功能、使用价值、甚至是承载能力进行综合评价[19]。
根据规范规定，通过对桥面系、上部结构、下部结构的技术状况评定，结合各部位的评分权重，可得出桥梁总体技术状况评定结果[20]。
桥梁各部位评定结果见表2.5所示。
表2.5桥梁各部位评定结果
桥梁部位
评分
评定等级
权重
桥面系
66.32
C
0.15
上部结构
/
不合格
0.4
下部结构
75.31
0.45
根据规范规定，按照Ⅰ类养护的城市桥梁，上部结构裂缝严重，横向裂缝最大跨度达到0.35mm，超过规范中限值要求，可直接将该桥评定为不合格[21]。
2.3斜拉索索力检测
斜拉索索力检测属于斜拉桥无损检测的一部分，由于混凝土强度、碳化深度、钢筋保护层厚度、混凝土中钢筋锈蚀电位等参数的检测结果表明对桥梁耐久性影响均不明显，实测桥面线型无对比数据，所以对于本桥主要将斜拉索索力作为对桥梁无损检测分析的参考对象。
斜拉索索力直接反映索结构桥梁持久状况下的内力状态，是评价斜拉桥承载能力的重要指标。
索力偏差率超过±
10%时应分析原因，检定其安全系数是否满足相关规范要求，并应在结构检算中加以考虑[22]。
斜拉索索力正确与否，是斜拉桥设计施工成败的关键之一，必须有可靠的方法准确量测索力[23]。
斜拉桥索力测试采用频谱分析法，根据自振频率与索力的关系，来确定索力。
斜拉桥索力测试结果见表2.6和图2.14所示，由此可以看出，实测总索力值比设计值大5%。
北岸边跨60mm跨除B11、B8和B2索外，其它索的索力与设计值偏差在10%以内，索力变化量较小；
但是南岸中跨90m跨除Z1和Z9外，其它索的索力与设计值偏差超过10%，且索力相对变化量较大，最大超过30%。
将实测索力换算成应力，最大应力达656.6MPa，已经十分接近平行钢丝的容许应力。
表2.6索力测试结果
编号
计算索长（m）
实测索力（kN）
实测索力换算应力（MPa）
理论索力（kN）
偏差
B12
72.058
4725.5
656.6
4526.3
4.4%
B11
67.893
3841.2
612.3
3428.1
12.1%
B10
63.751
3553.4
566.5
3386.9
4.9%
B9
59.674
3412.4
544.0
3320.3
2.8%
B8
55.600
3383.6
539.4
2997.7
12.9%
B7
51.629
3301.1
526.2
3045.6
8.4%
B6
47.698
3285.5
523.8
3096.6
6.1%
B5
43.821
2981.2
475.3
2841.2
B4
39.651
2990.7
476.8
2893.9
3.3%
B3
35.563
2892.7
461.1
2778.5
4.1%
B2
31.001
2197.6
350.3
2806.4
-21.7%
B1
26.302
3466.3
481.7
3690.5
-6.1%
Z1
29.267
2709.4
431.9
2682.5
1.0%
Z2
35.144
2616.6
450.3
2145.7
21.9%
Z3
41.123
513.0
2283.7
30.5%
Z4
46.814
3382.2
582.0
2534.5
33.4%
Z5
52.620
3436.0
591.3
2608.8
31.7%
Z6
58.346
3569.7
569.1
2945.3
21.2%
Z7
64.103
3592.8
572.7
2961.7
21.3%
Z8
69.993
3397.5
541.6
2905.7
16.9%
Z9
75.933
3062.0
526.9
2791.6
9.7%
Z10
81.944
2418.9
416.2
2697.4
-10.3%
Z11
87.999
2049.6
352.7
2675.1
-23.4%
Z12
94.055
2527.9
403.0
3547.1
-28.7%
合计
71591.1
5.8%
图2.14实测索力与理论索力对比
2.4桥梁结构检算
该桥结构检算主要是根据现场调查的桥梁总体尺寸、桥梁构件尺寸、铺装厚度及其他附加荷载资料，通过Midas/Civil对桥梁在运营过程中的受力情况进行结构验算评估。
2.4.1主梁受力分析
在组合荷载作用下，主梁的最大轴力出现在主梁根部0#块附近，最大轴力为-76603.7kN；
最大弯矩为-48811kN·
m；
主梁最大压应力为-11.26MPa，主梁最大拉应力为1.87MPa，主梁拉应力超过规范要求[24]。
2.4.2主塔受力分析
在组合荷载作用下，主塔的最大轴力为-66419kN；
纵向最大弯矩为-32111kN·
m，横向最大弯矩为9330kN·
主塔最大压应力为-14.41MPa，主塔最大拉应力3.09MPa，主塔拉应力超过规范及设计要求[24]。
2.4.3斜拉索受力分析
在组合荷载作用下，斜拉索所受拉力为5297kN，最大应力为736MPa，应力最大的斜拉索为边跨第12#索，斜拉索应力小于规范要求的运营阶段容许应力
=668MPa，安全系数小于2.5，超出规范要求[24]。
2.5加固前桥梁动静载试验
荷载试验是鉴定桥梁承载能力的一种最直接、最有效的方法，在桥梁例行养护过程、定期检查和特殊检查中都具有非常重要的作用。
荷载试验就是直接在桥梁结构上进行加载试验，并通过与理论计算值相比较判断桥梁结构的使用性能和实际运营状态，其中桥梁的荷载试验可以分为静载试验与动载试验[25]。
2.5.1静载试验
2.5.1.1静载试验内容
静载试验内容包括：
（1）测试断面在相应加载工况作用下应变（应力）检测；
（2）相应加载工况作用下主梁挠度以及挠度纵向分布检测；
（3）相应加载工况作用下索塔塔顶位移检测；
（4）测试断面附近区域开裂状况以及异常现象观测；
（5）相应加载工况作用下，对影响量较大区域进行拉索索力测试。
2.5.1.2有限元计算
在静载试验前运用桥梁专用有限元程序对桥梁空间构模，计算桥梁在活载作用下的轴力、弯矩包络图，根据包络图确定桥梁最不利控制截面，同时考虑选取受力复杂的截面和部位，将这些截面（或部位）作为测试控制截面。
计算出各控制截面的内力影响线，并进行静力加载计算，给出合适的加载轮位布置图。
试验结束后，综合分析实测数量，去伪存真，将实测结果与理论计算结果进行比较。
再结合成桥状态恒载应力来全面判定结构的施工质量、运营安全度。
主要计算荷载：
设计荷载：
城-A级，双向机动车4车道，横向折减系数0.67，冲击系数0.05，横向偏载系数1.15。
边界条件：
梁与边墩均为纵向活动、竖向约束铰支承；
梁与塔在塔下横梁处固接，塔底固结。
全桥有限元计算模型见图2.15和图2.16所示。
图2.15全桥三维有限元模型
图2.16计算模型单元离散图
2.5.1.3测试断面及测点布置
（1）应力测试断面及测点布置
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力测试，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跨箱梁顶板、底板上布置应
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