西部地区预应力混凝土斜拉桥合龙段置换加固技术研究



西部地区预应力混凝土斜拉桥合龙段置换加固技术研究

Study on Closure Section Replacement Reinforcement Technology of Prestressed Concrete Cable-stayed Bridges in Western Region

编者按：PC斜拉桥的合龙段是起着连接作用的关键构件，一旦损坏，其对桥跨的连接作用就会减弱，在长期荷载反复作用下，甚至可能失效，而传统的、常规的加固技术均无法从根本上解决PC斜拉桥合龙段失效问题。《西部地区预应力混凝土斜拉桥合龙段置换加固技术研究》项目提出一种先拆除原合龙段，然后重建合龙段并采用有效措施加强新合龙段的一种新的旧桥加固技术，通过对已损坏的PC斜拉桥合龙段进行置换，使其恢复到原设计状态或在结构性能上相比于原合龙段有明显的提高，可为彻底解决既有PC斜拉桥合龙段失效问题提供新的技术理念。本篇对该项目研究的主要内容及成果进行推介，以期为PC斜拉桥合龙段的合理设计及维修加固提供参考和借鉴。

Editor’s Note：The closure section of PC cable-stayed bridge is a key component playing the connection role，once damaged，its role to connect the bridge span will be reduced，and under the long-term effect of repeated loading，it may even fail，but the traditional and con-ventional reinforcement technology is unable to fundamentally resolve the closure section failure problem of PC cable-stayed bridges.“Study on Closure Section Replacement Rein-forcement Technology of Prestressed Concrete Cable-stayed Bridges in Western Region”project proposed a new old-bridge reinforcement technology of firstly removing the original closure section and then rebuilding the closure section while adopting the effective meas-ures to strengthen the new closure section，and through replacing the damaged closure sec-tion of PC cable-stayed bridges，it can restore to the original design state or significantly improve the structure performance compared to the original closure section，which can pro-vide the new technology concepts for totally resolving the closure section failure problem of existing PC cable-stayed bridges.This article described the main content and research re-sults of this project，aiming to provide the reference for the rational design and repair and reinforcement of closure section of PC cable-stayed bridges.

0引言

目前，中国已成为世界上拥有预应力混凝土斜拉桥(以下简称“PC斜拉桥”)

数量最多的国家之一。我国西部地区自然条件恶劣，多为海拔较高的山区，自然地理和气候条件相对恶劣，这些地区修建的大跨度PC斜拉桥更是承受着各种不利环境的考验。30年的运营实践表明，大多数PC斜拉桥都陆续出现了结构损伤累积、斜拉索锈蚀、结构局部构件失效等病害，急需采用先进合理的加固技术来恢复其设计承载能力，延长其使用寿命，以避免桥梁垮塌事故。

PC斜拉桥中，合龙段是起着连接作用的关键构件，其工作状况直接关系到全桥结构的安全性和耐久性，一旦损坏，它对桥跨的连接作用就会减弱，在长期荷载反复作用下，甚至可能失效。由于斜拉桥修建费用昂贵、修建周期长，不可能因为合龙段失效就将整座桥梁拆除重建，在现有的经济发展水平制约下，必须寻求合理的、有效的维修加固方法来消除这一安全隐患。然而，传统的、常规的加固技术均无法从根本上解决PC斜拉桥合龙段失效问题。受到建筑结构中置换混凝土加固法的启发，对已损坏的PC斜拉桥合龙段进行置换，使其恢复到原设计状态或在结构性能上相比于原合龙段有明显的提高，这可望成为一种标本兼治的加固措施，可为彻底解决既有PC斜拉桥合龙段失效问题提供新的技术理念，它是一种首先拆除原合龙段，然后重建合龙段并采用有效措施加强新合龙段的一种新的旧桥加固技术，影响置换效果的关键是要解决新老混凝土的粘结问题以及保证新合龙段合理应力状态问题，拆除原合龙段是置换的前提，而防控措施是确保施工安全的关键。这种加固技术也可为新桥合龙段的合理设计和有效施工提供参考和借鉴，这样就可以从设计和施工两个层面上对合龙段的工作状态进行主动性、预防性的控制。

本项目由交通运输部公路科学研究院、天津市市政公路管理局、广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院、西藏自治区交通公路勘察规划设计院、山东省烟台市公路管理局共同承担，于2007年8月由交通运输部西部项目管理中心立项，3年多以来，项目承担单位与参加单位密切配合、通力合作，按照研究大纲确立的实施方案，努力工作，完成了项目科研合同规定的各项研究任务，取得了丰硕的科研成果，形成了PC斜拉桥合龙段置换加固的关键核心技术体系。

1主要研究内容及实施方案

1.1研究目标

在研究斜拉桥基本结构理论与常规加固计算方法基础上，依托于实桥加固工程，论证合龙段置换加固技术在我国PC斜拉桥维修加固中的可行性、适用性，提出合龙段置换加固过程中的关键施工技术和施工控制技术，为斜拉桥的维修加固提供新的技术途径，也为丰富和完善我国PC斜拉桥的加固方法作出较为理想的前期尝试性研究，解决一直以来困扰桥梁工程师和桥梁管养部门的难点和热点问题，以培养更多的西部地区旧桥养护人才和促进西部地区旧桥加固技术的发展和进步。

1.2主要研究内容

本项目按照合同规定内容分为5个专题开展研究工作，各专题主要研究内容分述如下：

专题1：PC斜拉桥合龙段病害调查及置换加固技术的适用条件分析

(1)合龙段病害调查及成因分析：调查国内已建PC斜拉桥合龙段的使用现状，对合龙段典型病害进行详细的成因分析。

(2)合龙段置换加固技术的适用条件分析：对合龙段失效的概念进行界定，并对置换加固的技术经济指标进行分析，通过与其它加固方法进行对比研究，阐述合龙段置换加固方法的适用范围、条件。

专题2：PC斜拉桥合龙段拆除过程结构受力逆转换分析

(1)PC斜拉桥合龙段拆除的结构基准计算模型研究

根据斜拉桥的设计、竣工以及施工控制资料，按照结构实际施工过程和施工方法进行计算模拟，并考虑桥梁运营期间的索力、线形等力学参数的变化，建立PC斜拉桥施工阶段分析模型，并根据各种模型修正方法，获得合龙段拆除前的结构状态，然后基于维修前的检测结果对结构计算模型的精度和准确性进行评判、检验。

(2)PC斜拉桥合龙段拆除过程模拟

与PC斜拉桥合龙段正装施工相对应，已建PC斜拉桥合龙段的拆除是一个西部地区预应力混凝土斜拉桥合龙段置换加固技术研究研究报告简本

结构受力逆转换的过程，即由运营多年的成桥状态转变到主梁最大悬臂状态。研究合龙段拆除在现有结构计算程序中的实现过程、方法，并对其有效性、正确性进行检验，并根据事先拟定的不同拆除方案对比分析合龙段拆除方案对结构性能的影响，提出合龙段拆除的有效模拟途径。

专题3：PC斜拉桥合龙段拆除过程的安全性分析及防控措施研究

合龙段拆除施工前，必须对合龙段拆除前后结构性能的可能变化作出充分估计，并采取相应的工程措施来应对，这是保证合龙段拆除过程安全进行的关键。

(1)合龙段拆除对PC斜拉桥结构性能的影响

通过理论计算手段揭示合龙段拆除对PC斜拉桥结构性能的影响，即分析合龙段拆除对全桥索力、桥面线形、塔位、主梁混凝土应力等的影响，以对合龙段拆除引起结构变形、内力变化较大的构件或部位作出估计与评价，理论分析的结果可在依托工程上进一步验证。

(2)合龙段拆除对结构整体稳定性的影响

合龙段拆除过程，是PC斜拉桥主梁由连梁状态(或称成桥状态)向最大悬臂状态过渡的过程，应用斜拉桥结构稳定性理论，分析合龙段拆除前后结构在外界荷载(如风荷载、施工荷载等)作用下的整体稳定性问题，揭示合龙段拆除对结构整体稳定性的影响。

(3)PC斜拉桥的温度效应

温度荷载包括系统温差、温度梯度、索与梁、塔的温差、索塔左右侧温差等。研究PC斜拉桥主梁混凝土应力、主梁标高、索塔塔顶水平位移以及拉索索力随温度变化的规律，对结构由于温度作用而产生的变形、内力变化作出较为实际的估计。

(4)合龙段拆除过程中的安全预防措施研究

根据上述分析结果，针对合龙段拆除可能引起的结构过大变形或内力，研究可利用的各种应对工程措施的可行性，并结合施工过程中的监测结果判断这些不安全影响因素的变化趋势，同时在依托工程中实施以检验其效果。

专题4：PC斜拉桥合龙段拆除后的主梁线形调整技术研究

PC斜拉桥合龙段拆除后，结构形成两半桥(通常合龙段处连有临时锁定装置)，此时主梁线形调整工作相比于合龙段拆除前的成桥连梁状态而言变得较为容易。利用这一时机对主梁线形进行调整，可以达到改善线形或避免合龙段置换后的各种非确定因素引起的非正常下挠。

研究PC斜拉桥主梁线形与拉索索力之间的相关性，根据线形调整目标确定索力调整幅度、索力调整的原则，研究影响矩阵法在斜拉桥索力调整中的适用性，提出调整主梁线形的调索方案，并进行对比论证。

研究如何根据监测结果对设计的调索施工工序进行调整，以保证桥梁结构最大可能地接近预先设定的理想状态，根据监测结果对监控计算模型进行修正和误差调整，预测下一施工阶段的索力调整方案。

专题5：PC斜拉桥置换合龙段的施工工艺研究

(1)合龙段劲性骨架研究：主要是对合龙段劲性骨架的作用、布置形式、计算方法、施工工艺等进行研究。

(2)合龙段与相邻节段连接性能研究：从合龙段与相邻节段的受力分析入手，研究如何加强新老混凝土之间的连接性能。

(3)新合龙段预应力的补偿技术研究：新合龙段恢复后，其体内的预应力有限，为保证桥梁后期运营过程中合龙段具有足够的有效预应力，研究采用体外预应力补偿技术的适用性和效果。

(4)合龙段混凝土的浇筑工艺研究：为保证合龙段合理的受力状态，研究合龙温度选择、合龙段混凝土的选用以及混凝土浇筑质量等的保证措施。

另外，根据各专题研究成果，还需编制PC斜拉桥合龙段置换加固技术应用指南，该指南是对各专题研究成果进行汇总归纳，形成系统化，便于工程应用。

1.3实施方案

本项目拟采用理论分析结合实桥验证的方式开展研究，强调理论研究与工程实践相结合，并充分利用国内外各行业和领域已取得的先进成果。具体实施方案见图1。

图1　实施方案流程图

2取得的主要研究成果

本项目在详细调研和全面总结前期科研成果的基础上，通过系统的理论分析、实桥实施与验证测试等一系列的研究工作，取得了如下一批具有创新性和实用价值的研究成果：

(1)提出了PC斜拉桥合龙段拆除前结构基准计算模型的建立方法，该方法对解决旧桥加固设计计算的难点问题具有较为普遍的指导意义；

(2)建立了PC斜拉桥合龙段拆除结构受力逆转换分析理论和合龙段拆除过程的模拟计算方法，解决了PC斜拉桥合龙段拆除过程的施工控制计算问题；

(3)建立了PC斜拉桥合龙段拆除过程的安全性分析体系，包括静力性能变化预测分析、全桥整体稳定性分析、动力特性分析以及温度效应分析等，这是制定PC斜拉桥合龙段置换施工过程中的安全防控措施的前提和依据，也是整体把握施工全过程结构安全的重要内容；

(4)基于风险性和安全性分析，提出了PC斜拉桥合龙段置换过程中的安全预防控制措施，并经过实桥验证后，其施工可行性和实施的必要性得到了充分论证；

(5)以索力调整为实现手段，提出了PC斜拉桥合龙段拆除后主梁线形调整的实用方法，索力调整方案兼顾了多个旧桥结构状态指标，线形调整效果明显，达到了既定的目标；

(6)总结依托工程的经验，建立了PC斜拉桥置换合龙段的施工工艺体系，包括劲性骨架的设置、改善合龙段与相邻节段连接性能、新合龙段的预应力补偿技术以及新合龙段的加固工艺等，并形成了一套PC斜拉桥合龙段置换加固技术应用指南，以指导今后同类工程的施工。

本项目研究完成了一座实桥的合龙段置换工程，不仅对理论分析起到了验证、修正的作用，而且在工程中所总结的经验又反过来对理论研究进行了补充和完善，工程上的大胆尝试探索与丰富严谨的理论分析相结合，由此建立起来的加固技术体系不仅对今后同类型的PC斜拉桥的加固工程具有现实的指导借鉴意义，而且由此而形成的加固理论研究成果也必然会促进旧桥加固领域的变革，即针对一些损坏异常严重的结构构件，改变过去传统的补强加固方案，而引入构件更换技术，其技术经济性及加固效果往往更优。图2和图3为合龙段置换前后的现场照片，通过对比可发现，置换加固后，合龙段的状况得到了明显的改善。

本项目立项3年多以来，在各参研单位的共同努力下圆满完成了合同规定的各项科研任务，提交的研究报告及其它成果形式如下：

(1)PC斜拉桥合龙段病害调查及置换加固技术的适用条件分析报告

(2)PC斜拉桥合龙段拆除过程结构受力逆转换分析报告

(3)PC斜拉桥合龙段拆除过程的安全性分析及安全预防措施研究报告

(4)PC斜拉桥合龙段拆除后的主梁线形调整技术研究报告

(5)PC斜拉桥置换合龙段的施工工艺研究报告

(6)PC斜拉桥合龙段置换加固技术应用指南

(a)合龙接缝下缘开裂宽度达10 cm

(b)合龙段接缝开裂处钢筋断裂

(c)合龙段接缝处钢筋断裂

(d)合龙段接缝开裂并渗水

图3　新合龙段及其加固部分示例图

3项目的效益分析及推广应用前景

PC斜拉桥修建费用较高，不可能因为合龙段失效就重建。像永和大桥合龙段，若因病害将整座桥拆除而重建一座同类型的结构，其重建资金高达5 100万，即使采用连续梁或连续刚构，其费用也会达到3 000万以上，而合龙段置换加固的费用为900万。由此可见，拆除重建的代价太高，不可能因局部构件失效而将全桥作废，加固是必然的。另外，永和大桥合龙段置换工程仅历时46 d，而拆除重建至少要花一年以上的时间，交通的阻滞所造成的经济损失初步估算要1个亿以上，这说明与拆除重建相比，合龙段置换具有明显的间接经济效益。

若采用常规的加固方法，如体外预应力加固，其加固费用达500万，合龙段置换费用约为其1.8倍，但对于像永和大桥这样的病害，体外预应力加固治标不治本，而合龙段置换加固却能达到标本兼治的效果，尽管其费用较高，却能彻底消除安全隐患，合龙段的受力状态更容易得到保证。工程上的大胆实践证明了合龙段置换加固技术的可行性，同时，从结构的长期使用或耐久性来说，其经济性亦是可观的。

本项目的研究可丰富既有PC斜拉桥的维修加固方法，可望成为桥梁维修加固技术的新途径和新方法，其市场需求广大，应用前景可观。另外，这种加固方法的研究可以为新桥合龙段的设计和施工提供参考和借鉴，这样就可以从设计和施工层面上对合龙段的力学性能进行主动性、预防性的控制。更为值得注意的是，西部地区多为海拔较高的山区，自然地理和气候条件相对恶劣，这些地区已修建的PC斜拉桥中其合龙段更是承受着各种不利环境的考验，更需要先进的加固技术来解决其合龙段损坏问题，从而本项目的研究在西部地区是大有用武之地的，对改善西部地区PC斜拉桥的使用性能、延长其使用寿命、避免桥梁垮塌事故均具有重大而现实的应用前景和市场需求。

4结语

在详细调研国内外实桥资料与相关文献和全面总结依托工程实践经验基础上，通过系统的理论分析计算，对PC斜拉桥合龙段置换加固技术进行了系统的研究。以我国早期斜拉桥的代表作——天津永和大桥为工程背景，建立了用于PC斜拉桥合龙段拆除的分析计算技术，详细论证并分析了PC斜拉桥合龙段拆除的安全性，提出了利用合龙段拆除的有利时机进行主梁线形调整的实用调索技术，给出了新合龙段恢复及加强的关键技术措施，并形成了置换合龙段的应用技术指南。天津永和大桥已成为既有PC斜拉桥进行大规模维修与加固的典型示范工程，这其中凸现出来的合龙段置换加固技术开辟了大跨PC斜拉桥维修加固技术的新途径，由此而形成的新思路和新理念进一步丰富和完善了既有大跨度桥梁的加固理论，是旧桥加固领域的新突破。

但是应该指出，天津永和大桥合龙段的预应力布置及其与相邻主梁节段的连接具有一定的特殊性，同时本项目所依托的实际工程数量较少，故本项目的研究成果更多地是体现在技术应用层面，尽管其中的加固理论具有普适性，但技术层面还需要更多的实践工程进行检验和补充，技术的系统性也需要进一步完善，建议将合龙段置换加固技术扩展到旧桥局部结构构件更换技术方面，这样更能体现本项目研究的新理念，本项目研究所形成的理论和技术体系也能更好地为旧桥加固技术的创新提供参照和依据，由此而形成的加固创新技术也能部分拓展到梁式桥或其他类型的桥梁结构的加固领域。

(来源于交通部西部交通建设科技项目管理中心网站)

文章编号：1673-4874(2016)01-0001-05

中图分类号：U445.7+2

文献标识码：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.01.001

基金项目

交通运输部西部交通建设科技项目(合同号：2007 318 223 40)