第一章   绪   论

        1.1  国内斜拉桥应用发展概况

        斜拉桥是一种合理跨径范围广、造型美观多样的桥型,我国至从上世纪 80年代以来,已建成上百座,如 1990 湖南建成主跨跨径为 210 的长沙湘江北大桥,双塔单索面PC梁,首创轻型挂篮悬浇施工工艺;1991年上海建成主跨径为423m南浦大桥,是双塔双索面扇形拉索布置的斜拉桥,标志着我国斜拉桥建造水平已进入国际先进行列;1993 年上海建成主跨跨径为 602m 的杨浦大桥,为双塔双索面扇形拉索布置的叠合梁斜拉桥;2000 年建成主跨跨径为 2×310m、三塔PC 的岳阳洞庭湖大桥;2001 年南京建成主跨跨径为 628  m 的长江二桥建成,主梁结构采用钢箱梁;2008 年香港建成主跨跨径为 1018m、塔高 298m 的昂船洲大桥,是目前世界主跨跨径排名第三的双塔斜拉桥;2008  年建成主跨跨径为1088m 的苏通长江公路大桥,是工程规模最大、建设条件最复杂、建成时世界上跨径最大的斜拉桥,标志着我国斜拉桥建设水平已经达到顶峰[1-3]。 根据受力特征,斜拉桥可分为矮塔和高塔之分,前者在力学行为上更似体外预应力的连续梁,一般施工不需要调索,而后者才是真正意义上的斜拉桥,有更好的工作性能。不管哪类斜拉桥,一般其组成有主梁、索塔及拉索。斜拉索是受力主体之一,其作用是将主梁上的荷载传递给索塔,因此,常把斜拉索作为衡量斜拉桥承载性能和耐久性能的重要标准。以当前的施工水平,斜拉索的寿命一般远小于桥梁的使用寿命。且受到过去设计标准、施工水平、长期超载、养护维修不善、偶然撞击及意外火灾事故、腐蚀环境侵蚀等因素的综合影响,使得斜拉索的使用寿命有所降低。为此,已建斜拉桥结构营运过程中某些构件损坏尤其是斜拉索损伤,导致桥梁极限承载能力降低,造成严重隐患,导致险情事故,甚至突然坠毁事故时有发生,给人们生活和社会稳定带来极大的不利影响。因此,对既有营运斜拉桥病害检测及通过车载试验判定桥梁性能显得尤为必要。

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        1.2  典型桥梁事故分析

         近年来,国内外发生多起桥梁损坏及突然坍塌事故,如 1981 年 7 月,美国堪萨斯州的海厄特-雷根西饭店的高架人行桥倒塌,造成 114 人伤亡。1983 年 6月,美国米勒斯大桥坍塌,造成 3 人死亡[4]。1994 年 10 月,韩国汉城的桑苏大桥倒塌,造成 31 人死亡;1999 年 1 月,重庆市綦江县彩虹桥在人行载荷超标的情况下发生坍塌,造成 49 人死亡的严重后果;2001 年 11 月,宜宾南门桥在清晨时刻,荷载不大的情况下发生吊杆和桥面断裂,造成 3 人死亡;2006 年12 月,印度一座桥龄 150 年的旧桥坍塌,造成一列火车被压,33 人死亡的严重后果。2007 年 6 月,广东九江桥因货船撞击而坍塌,直接造成死亡 8 人 2007年 9 月,越南一座正在施工的斜拉桥坍塌,造成 60 多名工人死亡和 100 多人失踪[5]。斜拉桥由于营运腐蚀作用,很多斜拉桥没有发生倒塌事故,但进行了换索施工。 桥梁倒塌事故造成了人员伤亡和经济财产的损失。交通部多次召开专题会议,明确提出停工整顿施工市场,全国范围内检查桥梁施工及营运状态。对桥梁潜在安全隐患的检查和排除越来越被重视。 随着交通量不断增长,行车荷载加大,各种因素造成的桥梁病害逐渐增多,对损伤桥梁的加固与改造,是在通车条件不断提高情况下,探讨如何用较少的投资取得更大的社会效益和经济效益的重要课题。对于产生病害的斜拉桥而言,实施加固、改造,可以降低投资,节省资源,还具有工期短,一般情况下不中断交通的优点。 目前,运营中的很多斜拉桥,工作状况已发生了变化,尤其对长期处于高应力状态的斜拉索,由于超载、拉索及锚头出现锈蚀、拉索损伤等原因,会造成斜拉索索力发生变化,造成斜拉索安全系数降低,甚至威胁到斜拉桥的结构营运安全。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[6,7]。我国广州海印桥仅营运 6 年多,济南黄河大桥使用仅 13 年,乐山犍为岷江大桥使用仅 11 年,就是因为斜拉索的防护问题,进行了换索施工[8]。

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        第二章  桥梁病害检测

        2.1  工程概况

        某大桥位于省道 S306 线上,南引桥 7×16m=112m(预制分条滚移空心板),北引桥 4×16m+2×20m+10m=114m(支架现浇横移空心板),主桥(3×25m+20m+30m=125m)(逐孔现浇整体箱梁)+(2×53m=106m)(现浇斜拉桥)+(30m+20m+3×25m=125m)(滑移薄壁箱梁),主跨为斜拉桥,总体布置见图 2-1。 该桥荷载等级:汽车—20 级、挂车—100,人群荷载 3.5kN/m2。桥梁宽度:桥宽 15m=3m 人行道+净 9m+3m 人行道。该桥连接南县和岳阳市华容县,南县侧引桥为预制拼装分离式空心板结构,每节长 3.75m;华容侧引桥 5′#~7′#为槽形肋盖、搭板结构,0′#~5′#为悬臂式空心板结构。南县侧主桥为单箱六室逐孔浇注钢筋混凝土薄壁箱形连续梁,顶板、底板现浇,肋板采用卧式预制;华容侧主桥为五箱四室预制拼装分条滚移箱型梁。 斜拉桥部分为悬臂结构、四塔柱,斜拉索采用分束张拉,锚固端设于主梁内。 桥面采用钢筋混凝土桥面,南县侧主桥墩顶处桥面掺钢纤维,华容侧主桥桥面内有横向预应力,设有防撞栏和人行道钢护栏。 该桥基础采用无承台摩擦桩,主桥为 D250 空心桩结构,引桥 25m 跨和 30m跨为 D150 空心桩结构。主桥墩身为 D220 空心墩,加固后为 D260 空心墩,引桥为 D120 空心墩,墩身及桩身采用分节预制、拼装,混凝土强度为 C50。主桥 l#~5#独柱墩的单桩基础采用旋喷压浆处理。

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        2.2  桥梁历史检测情况

        该桥于 1997 年 12 月底竣工,因各种原因,1998 年 10 月交工验收后,未进行竣工验收。2007 年 8 月对该桥伸缩缝、拉索及桥面进行了维护。 依据记载,该桥设计和施工过程中发生如下事情: ①原设计斜拉桥 6#主墩为双柱式空心桩,由于基础施工时尚未钻到设计标高钻头掉入钻孔内,未能及时打捞上来,因此被迫将双柱改为无承台 4Φ250cm空心桩。 ②考虑与 30m 边跨箱梁截面的连续性,原设计斜拉桥跨为薄壁箱形截面,因要求施工工艺较为复杂,简化为肋板式截面,这使得主桥截面在龙段处截面不连续。 ③针对 6#主墩 4 根桩可能产生的不均匀沉降,施工过程中进行了达到设计荷载的静力加载试验,加载时间长达 80 天,当时判断桩基基本稳定。 ④由于桥位处于湖区软土地基,1#~5#单柱墩的桩基承载力不足,故对这 5根桩的地基进行了旋喷压浆处治。 1998 年 6 月,对该桥进行了五个系列的现场检测,包括:桥面、栏杆、桥面板(梁)、塔索和下部构造。 检测结论认为该桥上部构造存在如下问题: 桥面平整度差;泻水管无积水漏斗,设计不当存在;施工标高不准,桥面排水不畅;箱梁梁底普遍粗糙,局部露筋;下游索塔洗石子抹面开裂、脱空。 下部构造存在的问题有:支座垫板参差不齐,个别支座四周泥土未除去,帽梁大面普遍平整度差,最深凹陷达 5~6cm,修补痕迹明显,墩、台接头处普遍错台明显,表面粗糙,墩、台普遍竖直度差,华容岸护坡多处松动破裂。 2007 年,对该桥进行了全面的外观质量病害检测.

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        第三章   基于检测结果的承载力评定 ..... 25

        3.1   箱梁承载力评定 .... 25

        3.1.1   承载力检算方法 ..... 25

        3.1.2   承载力检算系数的确定 ......... 25

        3.1.3   箱梁承载能力验算 ......... 27

        3.2   斜拉桥承载力检算 ........ 27

       3.2.1   承载力检算系数的确定 ......... 27

       3.2.2   斜拉桥计算模型 ..... 29

        3.2.3   荷载取值 ......... 30

        3.2.4   成桥阶段承载能力极限状态分析 ......... 30

        3.3   本章小结 ........ 34

         第四章   荷载试验 ..... 35

        4.1   静载试验 ........ 35

        4.2   动载试验 ........ 62

        4.3   主桥斜拉桥技术状况评分 .... 69

        4.3.1   主桥斜拉桥上部结构技术状况评分 ..... 69

        4.3.2   主桥斜拉桥下部结构技术状况评分 ..... 70

        4.3.3   桥面系技术状况评分 ..... 71

        4.3.4   主桥斜拉桥技术状况评分 ..... 72

        4.4   建议 ........ 72

        4.5   本章小结 ........ 73

        第五章   结论与展望 ......... 74

        5.1   结论 ........ 74

        5.2   展望 ........ 75   

         第四章   荷载试验

        4.1 静载试验

         该桥桥型为主桥(3×25m+20m+30m=125m)(逐孔现浇整体箱梁)+(2×53m=106m)(现浇斜拉桥)+(30m+20m+3×25m=125m)(分条滚移薄壁箱梁),根据该桥特点,选取斜拉桥跨进行试验,测试桥墩和桥塔的刚度、应力及承载能力是否符合设计要求。 对于主梁,选取斜拉桥主桥(5#~7#跨)共两跨进行加载工况试验,斜拉桥主桥分别进行塔柱支点最大负弯矩(图 4-1 中Ⅰ)、5#~6#跨跨中正弯矩(图 4-1中Ⅱ)、5#~6#跨跨中偏载(图 4-1 中Ⅲ)及塔顶最大偏位试验(图 4-1 中Ⅳ),工况选取见图 4-1。 桥梁挠度以吊百分表方式观测为主,精密水准仪进行支点沉降观测及数据复核,百分表挠度观测桥下游侧 1/4L、1/2L、3/4L 及上游侧 1/2L 测点,精密水准仪观测 1/4L、1/2L、3/4L 及支点断面,墩塔偏位用全站仪进行测试[22]。 本次试验需观测桥跨跨中及支点应变,试验时在 5#~6#跨跨中底面、外侧腹板及 6#墩支点腹板处粘贴型号为 BX120-100AA 的结构表面电阻应变计进行应变测试,其中斜拉桥肋板梁纵梁底面粘贴 4 组,腹板 10 组应变计,北主桥箱梁底面及腹板分别粘贴 10 组应变计,元件均采用 DH3815 静态应变测试系统测试.    ........

        结论

        针对某营运斜拉桥,对桥梁病害进行了全面检测,通过静载、动载试验,并结合软件建模分析,对桥梁的工作状态进行了评价,给出了桥梁养护维修建议。

        通过检测得出以下结论:

        (1)全桥拉索有 5 根斜拉索截面存在轻微截面损失,截面损失占比小于0.5%,其余斜拉索截面在测试区段内均无显见性截面损失,但拉索外层防护纤维大多破损;抽样检测的 4 个斜拉索锚头护筒内均积满水,斜拉索及锚头上仅有少量黄油包裹,目测锚头及拉索 2 个有表面锈斑,2 个无锈蚀;全桥斜拉索桥面护筒内水泥浆均饱满;索塔目视外饰层未出现明显剥落、开裂现象;实测拉索频率与 2008 年测试结果比较表明,斜拉索索力无明显变化,斜拉索处于正常工作状态。

         (2)主桥斜拉桥纵梁及横梁部分未见明显病害;主桥箱梁底板存在较多纵向裂缝(个别裂缝宽度超限),共计发现 2 条横向裂缝,局部有破损、露筋、渗水、表观粗糙等病害。

         (3)斜拉桥 6#墩(4 个墩柱)顶部有 20 条竖向裂缝,其它墩柱局部存在破损、露筋、锈蚀现象。

         (4)主桥支座钢垫板表面均轻微锈蚀,多数支座老化开裂,部分支座剪切变形,个别支座安装不到位,局部脱空,部分支座上下不规则放置多块钢垫板。

         (5)全桥上、下部结构混凝土强度状况良好,满足设计要求;全桥上、下部结构构件,钢筋无锈蚀活动性。