斜拉调载加固法在桥梁加固中的应用研究

唐赓，毛建平，蒙方成，覃乐勤

(1.广西交通工程检测有限公司，广西 南宁 530011；2.中铁四院集团南宁勘察设计院有限公司)

1 桥梁概况

某双层桥面预应力混凝土连续刚桁桥跨径组合为(60+3×100+60) m，中跨跨中设摆柱铰；桥梁上构主要受力结构为横向中心间距6 m的两预应力混凝土预制桁片，桁片高度6.35 m，两桁片通过横向安装行车道、人行道板、施加横向预应力钢筋和现浇桥面铺装联成整体；桁片上弦杆为U形断面，下弦杆为带缺口矩形断面。桥墩为4桩式高桩承台，桩径2.2 m。桥面铺装为水泥混凝土桥面铺装。桥梁设计荷载：汽车-超20级，挂车-120，人群荷载3.5 kN/m2。桥梁立面见图1。

图1 桥梁立面示意及构件编号规则(单位：cm)

2 桥梁病害情况及病因分析

2.1 桥梁病害情况

2012年检测时，桥梁存在以下病害：上弦杆、下弦杆、斜腹杆、竖腹杆等构件存在裂缝，部分裂缝宽度超过了规范规定的限制值；存在破损露筋，蜂窝、麻面、渗水泛白情况；主桥弦下斜杆与下弦杆交接处普遍存在开裂的情况。根据JTG/T H21-2011《公路桥梁技术状况评定标准》，评分为61.6分，技术状况等级评定为3类。

2014年对桥梁实施荷载试验，在试验荷载作用下，试验跨测试截面的应变和挠度基本在合理范围内，摆柱铰工作性能正常，试验中，裂缝未见明显开展，结构动力性能良好，桥梁承载能力满足设计活载标准的要求。

2017年检测时，桥梁右侧桁片3号跨3号墩侧下弦杆与弦下斜杆连接处三角区结合面开裂贯通，裂缝宽度达5.6 cm；连接处三角区短柱出现全截面开裂，裂缝宽度达1.5 cm，结构已发生破坏；三角区附近短柱柱底发生破坏，出现杆件失稳倾向。上述现象符合JTG/T H21-2011《公路桥梁技术状况评定标准》第4.3条有关5类桥梁技术状况单项控制指标的规定，主桥技术状况等级评为5类，描述为主要构件存在严重缺损，不能正常使用，危及桥梁安全，桥梁处于危险状态。

2017年荷载试验结果表明：① 主桥控制杆件测试截面强度满足要求，试验桥跨刚度满足要求，但试验荷载作用下三角区典型裂缝有开展，且裂缝开展相对残余存在大于20%的情况，卸载后缝宽未能恢复到加载前状态，说明结构局部区域已不处于弹性工作状态；② 试验荷载作用下，右桁片3号跨3号墩侧三角区下弦杆与弦下斜杆在交接面处存在明显相对纵向位移，说明该处结构存在损伤，连接刚度受到削弱。综合以上试验结果，主桥试验跨整体承载力不满足要求。

2.2 桥梁病因分析

由2012—2017年的检测结果可见:5年间桥梁病害存在较大发展，经分析其主要原因为：

(1) 随着桥梁所在地附近的工业园的崛起，货物、商品、人员流通不断增长，该桥上交通日益繁忙，特别是在该期间附近高速公路的修建，建材的运输，过桥重车明显增多，是导致桥梁病害发展的直接原因。

(2) 钢筋混凝土桁架桥结构轻盈，存在整体刚度小的缺陷，随着经济的飞速发展，交通量的逐年增加，该类桥梁易出现病害。

(3) 三角区为弦下斜杆、下弦杆及竖腹杆的相交点，结构受力较集中，应力分布复杂，在超载情况下容易发生开裂。根据2012年检测报告，三角区已存在裂缝，竖腹杆、弦下竖杆未见明显的受力裂缝。经过几年的运营，2017年检测发现3号跨3号墩处右侧三角区病害较严重，三角区短竖腹杆出现斜裂缝，结构出现横向错动；其余三角区病害均表现为混凝土开裂，结构并未出现错动迹象，疑为施工时三角区先后浇筑混凝土的龄期差异、收缩徐变等引起的新旧混凝土结合面开裂，在超载作用下，容易造成裂缝进一步扩大。弦下斜杆与下弦杆交接处节点刚度受到严重削弱后，桥梁结构发生内力重分布，导致竖腹杆出现受力裂缝，弦下竖杆发生破坏性损伤，危及桥梁整体结构安全。

3 斜拉调载加固法应用研究

3.1 斜拉调载加固法简介

通过临时斜拉体系对桥梁构件施加外加力，使桥梁构件在加固前预存有消除不利内力的附加应力，加固完成后释放外加力，加固材料承担部分由于释放外加力而产生的内力。

斜拉调载的外加力可起到抵消部分恒载的作用，也起到调整线形的作用，运用时需根据实际需要制定调载方案，避免调载不当造成结构受力不合理甚至破坏。

3.2 计算模型简介

用Midas建立主桥有限元模型进行结构分析，并采用桥梁博士进行校核。Midas计算模型主桥总计1 109个单元，780个节点。

根据现场检测报告，主桥3号跨3号墩右桁片弦下斜杆与下弦杆交接面裂缝宽度达5.6 cm，该三角区1号弦下竖杆存在1.5 cm斜裂缝，说明弦下斜杆与下弦杆存在纵向相对错位；该三角区2号弦下竖杆底部出现呈破坏状态的裂缝，顶部出现宽度为1.0 mm的裂缝。结构分析时，根据病害情况，对该处三角区及弦下竖杆的连接刚度进行修正，模拟损伤后的受力，加固后按实际构件尺寸设置其连接刚度。

(1) 恒载作用下，3号跨3号墩弦下斜杆与下弦杆交接处三角区1号弦下竖杆存在1.5 cm宽斜裂缝，说明在恒载作用下该处弦下斜杆相对下弦杆存在1.5 cm的纵向位移，按照刚度等效原则，把该处弦下斜杆与下弦杆的纵桥向连接刚度修正为300 kN/mm。

(2) 加固前3号跨3号墩1号弦下竖杆的顶、底部均修正为铰接。

(3) 加固前3号跨3号墩2号弦下竖杆底部修正为铰接。

(4) 加固后3号跨3号墩弦下斜杆与下弦杆的连接、1号弦下竖杆两端的连接、2号弦下竖杆底部的连接刚度均按结构实际尺寸设定。

3.3 斜拉调载加固方案的制定

(1) 临时斜拉体系的设置原则

临时斜拉体系为桥梁结构提供外加力，尽可能消除部分影响桥梁加固不利的内力，使线形尽量接近原设计状态，削弱损伤对桥梁结构的影响。

(2) 临时斜拉体系的设置位置

该桥主要损伤为3号跨3号墩侧三角区开裂，弦下斜杆与下弦杆连接受到削弱；该处三角区附近弦下竖杆底端严重开裂，原设计的固结点实际已接近铰接。桥梁的上述损伤主要影响3号跨的受力，综合技术与经济比较结果，选择在3号墩顶设置临时斜拉体系。

(3) 临时斜拉体系结构形式

临时斜拉体系主要由临时斜拉塔和临时斜拉索组成。为使临时斜拉塔受力均衡，防止临时斜拉塔出现负反力，临时斜拉索应对称布置。该项目中，临时斜拉索竖向分力对调载有利，而水平分力对调载不利，为增大竖向分力、减小水平分力，应尽量加大临时斜拉塔的高度，但是临时斜拉塔的高度太高也会增加项目投入，其高度需综合考虑各影响因素后确定。斜拉索布置越密，结构受力越均匀，然而密索方案需设置多个下锚点，需在原结构上植很多锚栓，对原结构造成损伤，且斜拉索张拉需分多次，给施工带来不少困难。最后通过优化计算确定此次临时斜拉体系结构形式如图2所示。

(4) 加固施工工序

图2 临时斜拉体系示意图(除标高为m外,其余单位：cm)

为充分发挥加固材料的作用，主桥维修加固前先对桥梁结构进行卸载，除了拆除上层行车道预制空心板和下层人行道板，还在3号墩顶设置临时斜拉塔，通过张拉临时斜拉索起到卸载作用，减小结构损伤造成的杆件内力重分布对加固效果的不利影响。维修加固施工主要工序见表1。

表1 主桥维修加固施工主要工序

3.4 斜拉调载加固效果分析

3.4.1 施工阶段应力验算

临时结构、非加固构件施工阶段应力满足规范要求；加固竖、斜腹杆应力满足规范要求。

由于结构已发生损伤，3号跨3号墩2号弦下竖杆加固前应力超限；拆除上下层桥面铺装、防撞墙、行车道板、人行道板阶段，拉、压应力均大幅减小；张拉斜拉索提升3号跨3号墩侧悬臂端后直至加固施工完成，其压应力和拉应力均小于规范限值，满足规范要求。计算结果见表2。

3.4.2 成桥阶段验算

承载能力极限状态验算结果见表3。正常使用极限状态验算结果见表4、5。

表2 3号跨3号墩2号弦下竖杆施工阶段应力计算结果(预应力混凝土)

表3 主桥受力最不利构件承载力验算结果

注：限于篇幅，仅列出所有同类构件中受力最不利构件的验算结果。轴力负值表示受压，正值表示受拉。

表4 主桥变形验算结果

上述计算结果表明：采用该文方法，调整桥梁内力分布，然后再对桥梁进行加固，使加固后的桥梁内力分布合理，桥梁承载力满足规范要求。

3.5 斜拉调载加固效果验证

按该文方法对该双层桥面预应力混凝土连续刚桁桥维修加固工作完成后，又开展了一次交工验收荷载试验，结合试验结果得：弦杆、腹杆等关键构件应变校验系数为0.56～0.78，试验跨挠度校验系数为0.49～0.88。且对三角区裂缝维修加固后，试验过程未见新

表5 荷载组合Ⅰ、Ⅱ作用下主桥裂缝验算结果

注：表中已根据非预应力钢筋配筋率对混凝土容许名义拉应力进行修正。

增裂缝，裂缝加固处应变变化趋势与理论计算一致，校验系数小于1.0。说明按该文方法进行加固后，桥梁结构承载能力满足设计要求，加固效果良好。

4 结论

在以往的加固设计中，大多数情况下未充分考虑到加固前结构损伤已造成桥梁内力重分布，各杆件内力与成桥时存在较大差异。由于桥梁内力重分布，部分杆件在恒载作用下已经达到或接近承载能力极限状态，若直接对其进行加固，在二次受力阶段原结构部分可能发生破坏，危及桥梁整体安全。为避免上述情况发生，应充分考虑加固前桥梁内力重分布带来的不利影响。依托实际工程项目，提出了斜拉调载加固法，可得如下结论：

(1) 加固前，尽可能地卸掉桥梁恒载，减少原结构由恒载产生的内力。

(2) 通过斜拉调载法调整桥梁内力分布，然后再对桥梁进行加固，使加固后的桥梁内力分布合理，桥梁承载力满足规范要求。

(3) 将斜拉调载加固法应用于实际工程项目，通过理论计算分析与应用该方法加固后的试验结果进行对比，证明了调载加固法的可行性。

(4) 斜拉调载加固法作为一种较新颖的桥梁加固方法，主要适用于主梁刚度较小的大跨梁式桥加固，也可作为其他小刚度桥梁加固工程参考。实际应用中需注意结构计算模型必须考虑结构损伤，从而得到损伤后内力重分布情况，调载必须保证桥梁在所有施工阶段结构始终处于安全状态，且成桥阶段承载能力满足规范要求。