丫髻沙特大桥是广州市环城高速公路西南环跨越珠江南航道的一座特大桥，于2000年6月建成通车，主桥为76m 360m 76m 三跨连续中承式钢管混凝土拱桥。主拱及桥面系钢结构采用16Mnq钢，拱肋填充C60微膨胀混凝土，桥面系为横梁体系，横梁最大长度为 38m ，横梁上铺设跨度8m 的钢筋混凝土板，桥面由厚8cm 的钢纤维混凝土和厚4cm的沥青混凝土组成。边拱拱肋为内包劲性骨架的C50混凝土结构，拱上立柱为钢管混凝土立柱。吊杆间距8m，采用单根91－7平行钢丝索；系杆采用37束7－5钢绞线索，全桥共20根。
2006年、2009年分别对该桥进行了检测，结果表明大桥整体受力处于弹性工作状态，主拱、拱座等主要构件状况良好，但桥面系钢横梁陆续出现较多结构裂缝，且裂缝有进一步发展的趋势。为保证大桥结构和运营安全，系统地开展了桥面系病害原因分析和桥面系加固设计。
桥面系主要病害以横梁和纵梁为主，且二者连接处病害最为严重。主要病害有高强螺栓松动、断裂、脱落；纵梁与横梁的连接角钢开裂、断裂；横梁腹板与下翼缘板的水平焊缝开裂，部分裂缝已往腹板延伸；部分连接腹板角钢下排螺栓孔处腹板斜向开裂；部分横梁加劲肋下缘处腹板开裂；检查车轨道梁与纵梁的连接螺栓多处松动、断裂及脱落等。
3．1 全桥整体工作状态分析
桥梁加固前对全桥进行了动、静载试验，试验结果表明主桥结构整体处于弹性工作状态，主拱整体工作状态与成桥荷载试验测试结果相比未发现异常状况。
3．2 车辆荷载分析
该桥为广佛及附近港口的重要物流通道，据称重数据统计，该桥的车流量在11万辆/日以上，其中总重在55t以上的车辆超过1万辆，总重超过100t的车辆也经常出现，最大总重170多吨，实际车辆荷载已经超出设计荷载，该桥处于超载运营状态。考虑实际的车型和载重，估算通过的重车车重约170t，普通货车30t居多，据此组合了7种车辆活载组合组合16×55t组合23×20t 110t 30t 30t组合33×20t 110t 55t 30t组合43×20t 110t 55t 55t组合53×30t 110t 30t 30t组合63×30t 110t 55t 30t组合73×30t 110t 55t 55t作为实际荷载进行验算。
3．3 横梁病害分析
该桥采用飘浮桥面结构体系，中跨桥面系相当于在吊杆处为弹性支撑的连续梁，桥面系在主跨各节间的截面尺寸基本相同，各横梁受力状况基本相同，因此以 H5横梁为例分别按原设计标准和实际荷载进行计算分析。
3．3．1 按原设计标准计算
原设计采用的汽车荷载为汽车－超20级。按原设计标准计算 H5横梁的应力情况，跨中截面下翼缘最大应力。
3．3．2 按实际荷载模拟计算
按实际荷载（7种车辆活载组合）模拟计算 H5横梁的应力情况。在7种实际车辆组合下，H5横梁下翼缘在活载作用下的应力为105～149MPa，恒载 活载作用下的应力为228～272MPa均超过允许应力值。参照美国公路桥梁设计规范关于钢结构疲劳的条文规定，疲劳寿命与疲劳应力幅的立方成反比。该桥设计疲劳车辆按20t考虑，钢横梁的活载应力为43．2MPa，但根据现场车流量统计，桥面实际运营的代表车辆为55t的货车，钢横梁活载应力为105MPa，实际疲劳应力与设计值之比为2．43，疲劳寿命只有设计寿命的1/14。由此可见，由于该桥为横梁体系，汽车荷载增加引起桥面系横梁的应力增加，大大降低了钢结构的疲劳性能是引起病害的主要原因。
3．4 纵梁病害分析
该桥横梁与混凝土桥面板组成钢－混组合体系以承受桥面荷载，钢纵梁兼作桥下检查小车的轨道支撑梁，采用高强螺栓连接在横梁上。连接处的应力较大，是导致纵梁和横梁连接破坏的主要原因。
4．1 技术标准
考虑设计标准的一致性，加固设计活载维持原设计荷载标准不变，采用汽车－超20级，但需按实际汽车荷载工况对结构进行验算。全桥计算时6车道折减系数取0.55，钢横梁内力计算时6车道折减系数取0.75。
4．2 加固措施
（1）增设止裂孔。为防止已经出现的钢结构裂纹继续发展，在裂纹末端增设 12mm的止裂孔，以阻止裂纹继续延伸。
（2）增加钢横梁截面。为增强横梁截面、降低横梁应力，在横梁下翼缘的上侧增设厚32mm的钢板。鉴于部分横梁腹板与下翼缘焊缝出现裂纹，为保证横梁的结构安全，在厚32mm的加强板上侧设L形构件与横梁腹板及下翼缘连接，以替代失效焊缝，连接采用高强螺栓。
（3）增设大纵梁。为增强桥面系结构的整体性能，加固方案在原有桥面系横梁之间增设大纵梁，解除原桥的纵梁，新增大纵梁高1.7m，与横梁同高。吊杆范围内大纵梁紧邻吊杆设置，纵梁腹板通过拼接板与横梁竖肋连接，纵梁翼缘通过鱼形板连接；吊杆区域以外大纵梁采用腹板不连接，纵梁下翼缘与横梁下翼缘通过高强螺栓连接的方式与横梁连接 。
（4）改造原钢纵梁、横梁连接构造。将原设置于横梁下翼缘上部的纵梁切短3cm 后倒置与横梁下翼缘采用普通螺栓连接。
5．1 主拱分析
该桥加固后桥面系恒载增加，需要验算主拱的成桥主拱上弦拱肋应力荷载工况主拱上弦拱肋计算应力/MPa承载能力。采用 ANSYS10建立全桥有限元模型，主拱采用空间杆系结构模拟，杆件采用空间梁单元模拟，在杆件相交处设置空间节点，全桥共有节点1820个。主拱肋按每4m间设置梁单元，每根腹杆为1个梁单元，每个米字形横向联结系有109个单元，全桥共有单元3906个。加固设计新增约14000kN桥面恒载后，主拱的稳定性、应力水平等满足规范要求，桥面系加固不影响主拱结构安全。
5．2 加固后桥面系分析
5．2．1 实际荷载工况下的横梁应力计算
按实际荷载（7种车辆活载组合）计算加固后H5横梁的应力情况，跨中截面下翼缘最大应力计算结果可知，加固后的横梁下翼缘最大应力比加固前降低30～45MPa，显著降低了横梁应力水平和应力幅，且桥梁后续收缩徐变荷载下结构应力水平增幅较少。由于大桥加固后进行了超载诊治，实际应力水平应小于上述计算值，结构的安全度有了较大提高。
5．2．2 横梁荷载试验分析
横梁荷载试验采用2辆重约40t的车辆进行加载，在试验横梁跨中截面布置测点。
（1）横梁挠度。经测量，位于下翼缘的3号测点的挠度加固前理论值与实测值分别为9.6mm、8.7mm，校验系数为0.91；加固后理论值与实测值分别为7.1mm、7.2mm，校验系数为1.02，满足结构荷载试验相关规程要求，且加固后实测结构挠度比加固前降低17%。
（2）结构应变。对横梁跨中应变进行了加固前、后的试验对比，加固前、后应变沿高度方向分布见图7。由图7可知，横梁新增构件和原横梁协同工作状况良好，在不考虑混凝土桥面板参与整体作用的前提下，结构加固后实测应变及截面中性轴高度均有所下降，主要与加固构件参与整体受力有关，结构应变加固前后降低幅度与理论计算值接近，结构加固达到预期效果。
丫髻沙大桥采用横梁体系，由于实际汽车荷载超出设计荷载，横梁应力增加，大大降低了钢结构的疲劳性能，因此引起了一系列桥面系病害。通过分析病害原因，除采取超载诊治措施外，同时对该桥桥面系进行加固设计，主要措施有增加钢横梁截面，增设大纵梁，改造原钢纵、横梁连接构造和增设止裂孔等，大桥于2011年底完成加固施工，加固达到预期效果。该桥桥面系加固设计可为同类桥梁工程加固提供借鉴和参考。 2100433B
