1 绪论1.1 课题研究背景斜拉桥是一种由塔、梁、索3 种基本构件组成的高次超静定组合桥梁结构体系[1]。

斜拉桥的桥面体系是以主梁受压或受弯为主，而其支承体系是以拉索受拉和索塔受压为主。

斜拉索由桥塔上部引出并多点弹性支承于桥跨，这样的结构形式使斜拉桥的主梁受力类似于连续梁，从而大大降低了主梁截面弯矩，有效地提高了主梁的跨越能力。

从斜拉桥的结构形式和主梁、索塔、斜拉索三大构件的受力特征看，斜拉桥具有形式多样、造型美观，主梁高度不高、优良的跨越能力等特点；斜拉桥的设计结构特点包括计算机结构分析和计算、高次超静定结构、应用有限单元法；与其它桥型相比，斜拉桥的特性包括：斜拉桥是跨径250m~600m 的最合适桥型，而斜拉跨径600m~1000m 时，斜拉桥是仅次于悬索桥的合适桥型[2]。

由于斜拉桥的种种优点，斜拉桥已广泛应用于现代城市桥梁和大跨度桥梁的建设当中。

然而，在斜拉桥的运营过程中，由于频繁承载甚至承受超载，加上长期的自然侵袭以及人为事故造成的损坏，斜拉桥会产生各种病害。

随着服役年限的增长，桥梁发生病害的部位会越来越多，损坏程度也会越来越严重另一方面，在结构上来说，斜拉桥属于柔性结构，在风力、地震力其他自然及人为的动力影响时容易发生振动，这些振动对于斜拉桥的受力来说是不利的。

斜拉索是斜拉桥的核心组成部分，现用的斜拉索绝大多数为钢制斜拉索，但钢斜拉索存在很多问题，如振颤、防腐、锚固点的应力疲劳等。

其中斜拉索及其锚具的防腐问题尤为显著，由于斜拉索锈蚀而导致斜拉桥被迫换索已经占到了相当高的比例[4]。

对于已建斜拉桥，在其营运过程中某些构件损坏尤其是斜拉索损伤会导致桥梁极限承载能力的降低甚至导致突然坠毁事故，这些问题给人们生活和社会稳定带来极大的安全隐患。

因此，对既有营运斜拉桥病害检测及加固研究工作显得尤为必要。

1.2 国内外研究现状1.2.1 斜拉桥病害检测研究现状早在20 世纪50年代开始，人们就开始着手研究桥梁损伤问题，进入70 年代之后，桥梁检测工作已经被运用于桥梁工程，用来评定桥梁的成桥质量。

我国桥梁检测工作开始于20 世纪90 年代，在专家学者的共同努力下，建立起了一套科学、系统的桥梁检测与试验的标准和规范。

委内瑞拉I960年竣工的Maracaibo Bridge⑸，在1974〜1978年间，发现有钢丝断裂。

1 978年底组织的检查中发现断丝超过500根。

1979年2月其中一个桥墩上，一根斜拉索由于腐蚀而造成突然断裂。

经实桥核查表明：全桥192 根拉索中有24 根属于严重损坏[6][7]。

德国1974 年竣工的Kohlbrand Estuary Bridge[8]，1976 年进行拉索检查时发现25 根断丝，其拉索采用封闭索，曾作4 层涂料防锈，但仍有水从索上端渗入到斜拉索的内部，造成拉索严重锈蚀。

加拿大Annacis Bridge[9]，1988 年桥梁竣工后运行不久，混凝土桥面板就有大量不同类型的裂缝出现，裂缝与大桥轴线方向垂直，贯穿其横断面，分布在大桥主跨中部100m范围内及岸跨端部附近[10]。

上海1975年竣工的新五桥，经过16年运营后，桥梁已无法承受通行等级载荷作用，桥体各部位均有不同程度的病害，斜拉索保护层多处开裂，严重处内部钢筋已出现锈蚀[11]。

济南1982年竣工的黄河公路大桥，1995 年检查大桥发现主梁顶板现纵向裂缝，横隔板与斜腹板亦出现裂缝，拉索防护局部破损，斜拉索已被严重腐蚀，逐一对272 根拉索进行检测，实测索力较设计值最大差别达到9.14%。

广东1988 年竣工的南海九江桥，运营至1990年，主梁下挠值已达16cm,为改善主梁，进行了一次调索。

1997 年检查时，发现有拉索PE套管破损，内部钢丝锈蚀严重，部分拉索振幅过大等。

索力测试结果与1990 年调索后相比总索力有所增加。

1998 年检测，发现拉索PE 护层严重破坏，拉索钢丝严重锈蚀。

中国1990 年竣工的犍为岷江桥，运营10年后发现斜拉索PE护套出现断裂，33束平行钢丝断丝严重，占总数17.2%；桥梁线形发生变化，比原设计最大下挠达25cm，两主塔柱略有内弯。

1999年、2000年对大桥进行检测及加固，发现斜拉索PE保护层严重开裂、断裂或损伤[12]。

曹海潮、蔡善乐，结合实际应用机器人对大桥缆索检测及防腐涂装的前后进行对比，说明缆索防腐检测涂装机器人对缆索进行定期防腐检测和涂装防护的可行性。

张阳[13]，从解决斜拉桥损伤识别的角度出发，提出适用于斜拉桥损伤识别的改进遗传算法，采用支持向量机与分层遗传算法相结合的联合优化算法，实现了斜拉桥全结构的损伤识别。

1.2.2 斜拉桥加固研究现状英国1966年竣工的WyeBridge桥，通过对交通量统计，该桥在20世纪80 年代初及以后，桥梁营运的实际荷载通行量已超过原设计荷载。

1985 年对该桥进行加固维修，其中包括桥塔柱改建，主梁加固、更换斜拉索，用双拉索系统替代原单拉索系统。

法国跨越卢瓦尔河的St.Nazaire桥采用封闭式的钢绞线组成斜拉索，数年后，当用锤敲击时，拉索上可掉下大片索锈，后采取措施进行维修，花费了国家不少钱财[14]。

德国汉堡Kohlbrand Estuary 桥，由于拉索腐蚀严重，在建成后的第三年，就更换了所有拉索，耗资6000万美元，为造价的四倍。

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f pk=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〜6.5 m。

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：cm）图2.3 桥梁主塔立面图（单位：cm）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！！！）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、露肋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边跨靠下横梁处局部破损、露筋60m跨梁体翼缘渗水、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=0.23mn)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梁体各节段间下缘呈折线型90m跨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,w仁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 X 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位置桥梁病害梁上斜拉~~斜拉索梁上将军帽及钢套筒锈蚀严重索锚固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，内部防护油脂干枯位置桥梁病害中跨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位置桥梁病害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2.11 2#桥台竖向斜裂缝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]0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]。