斜拉懸吊協(xié)作體系橋梁拉索更換技術(shù)

衛(wèi)紅蕊 蓋軼婷 趙成功

摘要：由于斜拉懸吊協(xié)作體系橋梁索結(jié)構(gòu)的銹蝕、斷裂等病害會(huì)嚴(yán)重影響橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性，通過對烏江大橋拉索更換工程的跟蹤，重點(diǎn)探索和研究了斜拉懸吊體系橋梁拉索更換的相關(guān)技術(shù)要領(lǐng)和監(jiān)控方法，為斜拉懸吊協(xié)作體系橋梁拉索或吊索的正確、及時(shí)更換，以及該橋型的設(shè)計(jì)和加固維修提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：橋梁；斜拉懸吊體系；加固與維修；拉索更換

中圖分類號：U445.7文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：1000033X（2016）06007904

0引言

斜拉懸吊體系橋梁是結(jié)合了斜拉橋和懸索橋的特點(diǎn)，采用拉索和吊索結(jié)構(gòu)，以斜拉索將橋塔兩邊約1/4主跨的長度支撐起來，中部由懸索吊住的一種新橋型。同其他橋型相比，該橋型除具有明顯的非線性特點(diǎn)外，還因斜拉與懸吊交界區(qū)域的存在使得受力更加復(fù)雜，而目前有關(guān)該橋型的研究較少，也缺少工程經(jīng)驗(yàn)[12]。當(dāng)橋梁運(yùn)營多年后，受各種因素的影響，其結(jié)構(gòu)線形和受力偏離原來的設(shè)計(jì)，索結(jié)構(gòu)銹蝕需要更換時(shí)，考慮如何利用換索對偏離原設(shè)計(jì)狀態(tài)的情況進(jìn)行糾正十分重要。

鑒于該種橋型的復(fù)雜性與特殊性，本文依托貴遵公路烏江大橋拉索更換工程，重點(diǎn)探索和研究斜拉懸吊體系橋梁拉索更換的相關(guān)技術(shù)要領(lǐng)和監(jiān)控方法；總結(jié)斜拉索的更換技術(shù)，并通過與工程實(shí)踐的結(jié)合，證明該施工方案及監(jiān)控方案的合理性與適用性；同時(shí)開發(fā)出一種專門用于箱梁加固的步履式梁底工作平臺(tái)，對推廣這種結(jié)構(gòu)體系的橋梁具有重要意義，也為類似橋梁的換索施工技術(shù)積累經(jīng)驗(yàn)并提供參考。

1工程概況

烏江大橋是中國首座狄新格體系的斜拉懸吊協(xié)作體系橋梁，也是國內(nèi)外首次采用PFC（預(yù)應(yīng)力鋼纖維混凝土）建造的預(yù)應(yīng)力混凝土加勁特大跨橋梁，橋梁概況見圖1、2。

根據(jù)相關(guān)檢測結(jié)果可知該橋的斜拉索存在如下病害。

（1）全橋3根斜拉索各有一股鋼絞線發(fā)生破斷，其中有1根斜拉索在該橋已經(jīng)實(shí)施限載、限速通行后發(fā)生斷裂，這種突發(fā)性破斷說明大橋運(yùn)營已經(jīng)存在較大的安全隱患。

（2）約20%的斜拉索護(hù)套老化、破損較為嚴(yán)重，鋼絞線外露、銹蝕，對結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性已造成嚴(yán)重影響。

（3）部分拉索實(shí)測索力值與設(shè)計(jì)索力值偏離較大，最大偏差為理論設(shè)計(jì)值的35.5%。

綜上所述，烏江大橋斜拉索體系存在嚴(yán)重問題，急需更換。

2換索原則及換索順序

2.1斜拉索換索原則

既有橋梁的換索工程同新建工程有顯著差別：新建橋梁的斜拉段部分和懸索段部分是同步施工，經(jīng)過結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換達(dá)到成橋狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力平衡；而換索工程則是在既有成橋的結(jié)構(gòu)平衡狀態(tài)上僅對斜拉索進(jìn)行更換，是在成橋體系狀態(tài)下由內(nèi)力變化而達(dá)到新的平衡的過程。因此，換索工程在設(shè)計(jì)方法、計(jì)算模式、施工工藝以及施工控制等方面都有獨(dú)特之處[34]。該橋施工方案中斜拉索的更換過程遵循以下原則。

（1）斜拉索更換需要以全橋反對稱、單塔對稱的方式進(jìn)行，確保主塔兩側(cè)索力基本平衡。

（2）由于加勁梁跨中位置的下?lián)虾突?，換索應(yīng)盡量在不改變橋梁整體結(jié)構(gòu)受力狀況的條件下進(jìn)行，并在橋面鋪裝更換完成后對新?lián)Q拉索內(nèi)力與吊桿內(nèi)力同步進(jìn)行調(diào)整，以保證橋面線形平順以及結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)的連續(xù)和統(tǒng)一。

（3）由于斜拉懸吊過渡區(qū)附近的加勁梁內(nèi)力和變形同時(shí)受斜拉子體系和懸索子體系的影響，換索過程中受力變得復(fù)雜，因此在換索過程中應(yīng)加強(qiáng)對過渡區(qū)加勁梁的受力行為監(jiān)控。

（4）換索過程中應(yīng)以斜拉索索力監(jiān)測為主，同時(shí)兼顧加勁梁的變形測量，并采取措施避免日照變化對換索控制的影響。

（5）更換后的斜拉索應(yīng)具有可調(diào)、可控、可換等特點(diǎn)，方便后期的維護(hù)管養(yǎng)。

（6）為安全考慮，換索過程中需封閉交通。

2.2斜拉索換索順序和工藝流程

斜拉索的更換施工分3步進(jìn)行：舊索的放松拆除，新索的安裝張拉及全橋索力（包括斜拉索索力、吊索索力）的調(diào)整。在更換過程中應(yīng)遵循先換有斷絲或有松弛情況的斜拉索，后換其他索；先換內(nèi)索，后換外索；全橋反對稱、單塔對稱換索。具體工藝流程如圖3所示。

3換索工藝要點(diǎn)

3.1換索前的準(zhǔn)備工作

（1）橋梁實(shí)際受力狀態(tài)的測量。

施工前對橋梁實(shí)際受力狀態(tài)進(jìn)行測定，包括拉索索力和吊索索力的測定、橋面高程測定、塔軸線以及錨固點(diǎn)位置測量、溫度變化對橋面高程影響的測試等。其中，精確、迅速地測定索力和高程是換索工作的重要環(huán)節(jié)。

（2）換索施工平臺(tái)及施工機(jī)具準(zhǔn)備。

斜拉索換索施工前，在主塔和加勁梁處均設(shè)置施工平臺(tái)，以方便施工人員操作。主塔處采用鋼管腳手架搭設(shè)的施工平臺(tái)，箱梁處采用可移動(dòng)的梁底吊籃，在橋面適當(dāng)位置安裝鋼絞線放線架、導(dǎo)向輪、切割工作平臺(tái)以及切割的相關(guān)設(shè)備（圖4～6）。換索施工機(jī)具還包括：卸索和掛索的連接器、張拉螺桿引出桿、千斤頂、油泵、反力架、墊板等。

3.2舊索的拆除

在梁底移動(dòng)掛籃上進(jìn)行舊索的拆除工作，舊索拆除時(shí)需要主塔兩側(cè)同一索號的拉索同步放張，并提前進(jìn)行放張?jiān)囼?yàn)，保證拆索的安全性。

（1）按照換索順序拆除索上構(gòu)件，安裝牽引卷揚(yáng)機(jī)，設(shè)置收（放） 索滾輪和索盤，清除梁端錨頭鋼護(hù)筒內(nèi)的混凝土，除銹后刷機(jī)油防銹。

（2）利用反力架、連接器張拉螺桿、接力螺母、拉伸機(jī)，按全橋反對稱、單塔對稱的施工順序同時(shí)進(jìn)行拉索分級松張。以大螺母稍有松動(dòng)時(shí)的索力作為實(shí)際索力（起動(dòng)索力），并進(jìn)行2次松張對照，差別不大時(shí)方可進(jìn)行卸索。卸索以變形為主控制索力（松張力）變化，每次1～5 cm同步放松。放松時(shí)密切注意兩側(cè)松張的索力，保持同步變形，以保證索塔兩側(cè)不產(chǎn)生偏載，受力平衡。

3.3鋼絞線穿束和張拉

（1）拉索穿束。采用由卷揚(yáng)機(jī)、鋼絲繩、導(dǎo)向輪組成的牽引系統(tǒng)，將鋼絞線送入HDPE外套管，穿過索鞍及另外一側(cè)HDPE外套管。根據(jù)斜拉索的特點(diǎn)，為確保組成斜拉索的各鋼絞線平行，采用“從上至下、逐排穿索”的順序進(jìn)行穿束。

（2）拉索張拉。接通油泵和千斤頂?shù)挠凸?，并檢查精密壓力表是否與千斤頂相符；然后在空載的情況下活動(dòng)2個(gè)行程，確保千斤頂在張拉時(shí)無任何問題；將反力架穿過鋼絞線并安裝在錨具上；啟動(dòng)油泵，千斤頂張拉缸保持適量的油壓（約1 MPa）后，調(diào)整千斤頂反力架，使之與錨管在同一軸線上。為了更好地控制索力，采用小型千斤頂進(jìn)行單根張拉（圖7），單根鋼絞線控制張拉力是由設(shè)計(jì)張拉力、夾片回縮力以及鋼絞線張拉順序影響而產(chǎn)生的衰減控制值3部分累加所得。以施工中標(biāo)定配套的油壓表控制張拉力，配以傳感器作為自檢手段。

3.4全橋索力的調(diào)整

在同號索組更換過程中，后換索的張拉對已經(jīng)換好的拉索索力產(chǎn)生一定的影響，因此需在同組所有索更換完畢后，采用8臺(tái)大型千斤頂（圖8）同時(shí)進(jìn)行索力調(diào)整。首先將這8根索的索力與目標(biāo)索力進(jìn)行對照，計(jì)算出每根索力調(diào)整的數(shù)值。索力的調(diào)整是根據(jù)索力變化與拉索變形之間的關(guān)系，在張拉千斤頂?shù)呐浜舷?，通過擰緊或放松錨固螺母來實(shí)現(xiàn)的。經(jīng)過這樣反復(fù)幾次測試和調(diào)整，使每根索的實(shí)測索力與目標(biāo)索力之間的差值控制在±5%以內(nèi)，則該組索的索力調(diào)整結(jié)束，移至下一組拉索，重復(fù)此過程。

全橋調(diào)索完畢后，復(fù)測全橋標(biāo)高和索力，將實(shí)測標(biāo)高與設(shè)計(jì)橋面標(biāo)高進(jìn)行比較，根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)索力進(jìn)行全橋拉索和吊索索力的調(diào)整，當(dāng)實(shí)測橋面線形達(dá)到或接近設(shè)計(jì)線形且索力不出現(xiàn)異常時(shí)，整個(gè)調(diào)索過程結(jié)束。

4換索施工過程監(jiān)控

斜拉懸吊協(xié)作體系橋梁的塔、梁、索（拉索和吊索）是主要受力構(gòu)件，在新建施工時(shí)是重要的監(jiān)控對象；而在拉索更換施工中，通過計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，塔、加勁梁以及吊索的內(nèi)力變化不大，故在本次施工監(jiān)控中未對其進(jìn)行監(jiān)控。由于換索過程中能夠直接調(diào)整的僅有索力一項(xiàng)，無論是希望換索前后的橋梁受力行為不要發(fā)生大的變化，還是希望通過換索對橋梁的工作狀態(tài)進(jìn)行改善，都必須以精確測量拉索索力為前提，因此拉索索力監(jiān)測是本次施工監(jiān)控的重要內(nèi)容。另外，加勁梁的線形也是施工監(jiān)控的重要部分，斜拉懸吊過渡區(qū)附近的加勁梁內(nèi)力和變形也需要特別關(guān)注。限于篇幅，本文僅闡述斜拉索索力和加勁梁線形的監(jiān)控。

4.1斜拉索的監(jiān)控

本項(xiàng)目斜拉索索力采用千斤頂油壓表讀數(shù)和頻率法相結(jié)合的方法測定。對換索前的索力進(jìn)行測量，并與設(shè)計(jì)索力進(jìn)行對比（表1）；換索施工后的實(shí)測索力與設(shè)計(jì)目標(biāo)索力進(jìn)行對比（表2）。本文僅列出1個(gè)主塔中跨側(cè)上下游的索力值。從表2中可以看出，通過施工中對索力的監(jiān)控，全橋換索后滿足加固設(shè)計(jì)的要求。

4.2加勁梁線形監(jiān)控

拉索在拆索前后以及新索張拉并調(diào)索后，都要在加勁梁對應(yīng)的位置進(jìn)行豎向位移監(jiān)測。本工程加勁梁的線形控制主要通過橋面高程的測量來實(shí)現(xiàn)。由于大跨橋梁對溫度變化敏感，因此換索前后的加勁梁變形測量應(yīng)保證在同一時(shí)間段進(jìn)行。監(jiān)測結(jié)果表明，換索后加勁梁線形得到明顯改善，跨中位置的位移上抬最大值為9.5 cm，如圖9所示。

5結(jié)語

斜拉懸吊體系橋梁雖兼顧了斜拉橋和懸索橋的優(yōu)點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)性能和外形上，是一種合理而美觀的橋型，但是索結(jié)構(gòu)的腐蝕退化和疲勞破壞對該種橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性構(gòu)成了威脅。烏江大橋換索工程的成功實(shí)施表明以下幾點(diǎn)。

（1）通過施工前對斜拉索索力的精確測量，準(zhǔn)確掌握橋梁的受力狀態(tài)，確定合理安全的換索原則和換索順序，并在此基礎(chǔ)上形成了對舊拉索的拆卸工序、新拉索的安裝和分級張拉工藝、全橋索力的調(diào)整和控制工藝、拉索錨固及防腐技術(shù)等更換拉索的成套施工方案。

（2）通過對橋梁換索施工進(jìn)行全過程監(jiān)控，掌握了大橋在換索過程中的線形、應(yīng)力及索力變化情況，保證了換索過程中橋梁結(jié)構(gòu)的安全以及換索后實(shí)測索力、線形與加固設(shè)計(jì)值相吻合，換索后橋梁結(jié)構(gòu)性能有了明顯提高，橋梁線形得到了顯著優(yōu)化。

（3）通過在梁底設(shè)置步履式工作平臺(tái)，為梁底加固作業(yè)提供了足夠的作業(yè)空間，平臺(tái)可以沿著橋梁行車方向水平移動(dòng)，跨過橋面斜拉索及吊桿，順利到達(dá)下一個(gè)作業(yè)面，無需搭設(shè)施工臨時(shí)支架或使用橋梁檢測車，安全高效，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

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