悬索结构检测评估与加固技术研究
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摘要：本文以四川省宜宾天原输卤管道跨江吊桥为实例，介绍了该桥荷载试验及结构仿真分析方法，据试验和分析结果对该桥进行了评估，并提出了合理的加固技术方案，为今后类似桥梁的检测评定与加固技术提供借鉴。
中图分类号:U446文献标识码:A文章编号:
引言
悬索结构是缆索桥梁结构的一种，随着缆索技术的进步，近年来索结构桥梁得到了快速发展和广泛运用，特别是它的跨越能力是该结构的优势，悬索结构体系也被广泛运用于油气管道架空结构设计。如何对该类结构进行质量检评和维修加固问题研究显得尤为重要。因此，针对这类桥梁进行检测评估与加固技术研究具有一定的经济价值。
1项目概况
宜宾天原输卤管道跨江吊桥连接宜宾天原化工厂与长江对岸小沱子，距岷江、金沙江交汇处约7.2 km。该桥横跨长江，为单跨516m柔性悬索结构。全桥立面照片如图1.1。
图1.1 桥梁整体照片
2动静载试验及检测评定
该桥试验检测主要包含以下几个方面的内容：（1）桥梁外观检查；（2）桥梁主要构件质量检测； （3）桥梁结构线形测量；（4）桥梁荷载试验；（5）桥梁结构动力测试。下面就该桥荷载试验、动力测试的主要内容及评定结果简述如下：
2.1静载试验
为评价桥梁结构的实际受力状况和工作性能，主要测试主要受力构件的力学性能，评估其使用性能和承载能力。试验项目包括结构在静力作用前后主缆及主梁的挠度观测、纵横梁的应力变化及主缆吊杆的索力变化测试，以及主塔裂缝观测和塔顶偏位、支座位移观测。
2.1.1主缆及主梁挠度观测
在桥梁L/8、L/4、3L/8、L/2、5L/8、4L/4、7L/8处设置挠度观测点，测量这些挠度观测点的相对坐标，比较各点处荷载前后的x和h坐标差，即可得到荷载作用前后吊桥主缆及桥面挠度变化情况。该桥在荷载作用下主缆及主梁最大挠度均出现在跨中位置，，将实测挠度值与理论计算值比较，进行效验系数计算，其结果见下表所示。
表2-1 主缆及主梁跨中挠度效验系数
挠度测量控制点 上游主缆跨中 下游主缆跨中 上游主梁跨中 下游主梁跨中
实测值Se（m） 2.639 2.719 0.769 0.827
计算值Sstat（m） 2.120 2.120 0.439 0.439
效验系数η=Se/Sstat 1.24 1.28 1.75 1.88
2.1.2主梁应变测试
在桥梁L/4、L/2、3L/4处钢纵梁和钢横梁上布置应变测点，每个测试点贴应变片，同时考虑温度补偿，采用DH3815N静态应变采集仪进行数据自动采集，测试钢主梁的纵向应力变化和横梁的横向应力变化，纵横梁应变典型截面测试结果见下表。
表2-2 主梁应力测试结果
测点位置 实测应变（με） 实测应力
Se（Mpa） 理论计算应力
Sstat（Mpa） 效验系数
η=Se/Sstat
L/4上游纵梁 11 2.31 2.80 0.83
L/4下游纵梁 13 2.73 2.80 0.98
L/4横梁 109 22.89 27.70 0.83
L/2上游纵梁 15 3.15 2.80 1.13
L/2下游纵梁 17 3.57 2.80 1.28
L/2横梁 115 24.15 27.70 0.87
2.1.3主缆及吊杆索力变化测试
采用频谱分析法，选取全桥L/8、L/4、3L/8、L/2、5L/8、3L/4、7L/8进行吊杆索力测试，并在对应位置测试其主缆索力变化情况，其测试结果见下表所示。
表2-3 主缆索力变化测试结果
测点位置 实测索力增量
Se（kN） 理论计算索力增量Sstat（kN） 效验系数η=Se/Sstat
L/4 上游侧 172.9 208.2 0.83
下游侧 178.6 208.2 0.86
3L/8 上游侧 170.1 206.3 0.82
下游侧 175.4 206.3 0.85
2.1.4试验评定结果
通过对宜宾天原输卤管道跨江吊桥静载试验，其试验评定结果如下表所示。
表2-4 静载试验评定结果
评定
项目 主梁
应力 桥面
挠度 主缆
挠度 主缆
索力 吊杆
索力 裂缝
展开 塔顶
位移 支座
位移
评定
结果 不满足
要求 不满足
要求 不满足
要求 满足
要求 不满足
要求 满足
要求 满足
要求 不满足
要求
2.2动力测试
为评价桥梁的动力性能，对该悬索结构桥梁进行了动力试验，试验项目包括脉动、风荷载作用下的动力响应等。
2.2.1动力特性测定
采用脉动试验测定吊桥的自振频率，即在桥梁（静力）满载以及桥梁附近无其它振源的情况下，测定桥梁由风荷载、地脉动等随机激励而引起的微幅振动响应，通过频谱分析识别结构自振频率。其测试结果见下表。
表2-5 自振频率测试结果
阶次 竖直向（Hz） 横桥向（Hz）
一阶频率 1.76 0.59
二阶频率 2.93 1.95
三阶频率 3.52 3.13
2.2.2风载动力响应
在特定风速作用下进行桥梁的动力响应测试，包括振幅、时程曲线等。动力测试结果表现出柔性结构的动力特性。
3 维修加固设计
3.1 维修加固结构计算
结构计算的主要内容包括在设计恒载、后期增加荷载及活载作用下桥梁的线形和内力，并确定主缆及桥面控制点标高。该桥宽跨比为1/409.5，宽跨比小是该悬索结构的特点。
3.1.1结构计算的原则
1）检算时，应以实际调查量测到的各部位尺寸及材料强度为依据。若实际调查值与设计值相差不大时，可按设计值进行检算，有严重质量问题，或者说有严重病害损伤的构件，应考虑折减。
2）在进行悬索桥的检算时，为了较准确的实测主缆在无风状态的真实形状，真实的平衡条件根据悬索桥实测的主缆线形位置来确定，由此即可分析主缆及其他构件的受力状态。
3）本检算过程中所涉及参数均以实测值为主，可参考竣工文件原始记录以及相关规范。
3.1.2有限元模型及边界条件
根据桥梁的实际结构形式、尺寸和布置形式，考虑以上计算原则，应用桥梁专业结构分析软件建立空间模型，桥塔及加劲梁采用梁单元，主缆、风缆、吊杆采用索单元，边界条件设置为：主塔塔底及缆索地锚端固结，缆索与塔顶索鞍弹性连接（铰接），加劲梁纵向与吊杆、主塔形成简支体系。
该桥空间整体有限元模型见图2-1。
图2-1 空间有限元模型
3.2维修加固设计原则
1）以安全可靠、经济合理、美观环保、加固处理施工简便为基本原则；2）加固处理不增加结构自重，不对主要构件造成损伤；3）加固处理能修复或者更换原损伤构件，使之共同受力；
加固处理后全桥各构件能抵抗当地环境侵蚀，并有一定的耐久性。
3.3加固设计要点及措施
①主缆、背索：对主缆、背索进行人工除锈，并重新进行防腐处理。
②主梁：针对原桥钢纵梁、横梁及斜撑的锈蚀情况对原结构各相应构件进行加固处理： a、当原钢纵梁、横梁及斜撑轻微锈蚀时，仅对原结构表面进行除锈处理； b、当原钢纵梁、横梁及斜撑严重锈蚀时．应对原构件进行更换，更换前采用临时兜吊工法施工； c、对于缺失的杆件按原设计尺寸进行增补。并采用重防腐体系，对主梁除锈后进行防护涂装。
③吊杆：对锈蚀严重且受力偏差大的吊杆，予以更换，包括索夹、吊杆、连接器、连接拉杆。吊杆更换调整时，以线形控制为主，以索力控制为辅的双控方式来实现。
④斜拉索：为了提高该桥主缆的安全储备，拟对该桥原有的斜拉索索力进行调整至合理索力，调整时以线形控制为主，以索力控制为辅的双控方式来实现。使斜拉索处于正常工作状态；斜拉索防腐体系老化严重，且钢丝局部轻微锈蚀，应对斜拉索钢丝进行人工除锈后重新进行防腐处理。对斜拉索及背索锚固采用种植锚杆焊接钢圆环加固补强。
⑤主塔：考虑北岸靠化工厂主塔塔身混凝土内氯离子含量超标，极易造成混凝土内部钢筋的锈蚀速度加快，应对北岸桥塔在原结构表面涂刷阻蚀剂，涂刷前对原结构表面的混凝土裂缝、缺陷及外露钢筋进行处理。
对南塔采用二次张拉背索的处理方法，调整背索索力，以减小塔顶偏移，从而减小南塔底部的附加弯矩，改善塔身受力状况和提高塔的稳定性，张拉时通过控制塔顶位移和背索的张拉力双重控制来实现，必要时可采用增加背索的方法来平衡南塔的水平力。
⑥锚室及锚固系统：先对该桥的锚室进行排水、除湿，并对渗水裂缝进行封闭灌浆处理，再对锚固系统的各钢构件进行除锈和防腐处理。采用机械抽排方式增设锚室排水系统，并对防排设施进行定期维护保养。
⑦风缆及风缆塔：原桥北岸风缆塔严重锈蚀，且各风缆及其锚固系统各组成构件锈蚀严重，本次设计对该桥的风缆体系及风缆塔架进行原位重建。对风缆地锚采用种植锚杆焊接钢圆环加固补强。
⑧桥面板：该桥原桥面板为木板，腐朽严重，己不能满足正常使用要求，应对桥面板进行全面翻新。
⑨支座：原有的圆钢滚轴支座已失效。为保证主梁梁端的自由滑动，应增设轴承式滑动支座．并在支座滑动范围内铺设钢板滑动面。
⑩索鞍及油箱：索鞍是悬索结构的主要受力和传递部件，直接影响主缆的受力，应对原索鞍进行全面清理、维修保养，然后填充黄油，保证索鞍的安全、稳定及滑动性能。原有塔顶油箱锈蚀严重，存在漏油现象，应对原有油箱进行更换。
4 结语
本文以四川省宜宾天原输卤管道跨江吊桥为实例，介绍了该桥荷载试验及结构仿真分析方法，根据试验和计算结果对该桥进行了综合评定，并提出了合理的加固技术方案，为该桥的维修加固提供理论依据，并为今后类似桥梁的检测评定与加固技术提供借鉴。
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