大跨懸索橋吊索更換技術(shù)及受力狀態(tài)模擬分析

余章龍， 張大長(zhǎng)， 張宇峰， 孫震

(1.南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 江蘇 南京 211816； 2.江蘇省交通科學(xué)研究院)

1 引言

近年來，隨著中國(guó)交通事業(yè)的迅猛發(fā)展，修建了許多大跨度、特大跨度橋梁跨越峽谷、海峽、陸島和大江大河。懸索橋是跨越能力最大的橋型之一，吊索作為懸索橋的主要傳力結(jié)構(gòu)，在不同環(huán)境中對(duì)于損傷最為敏感，易造成鋼絲的腐蝕；車輛荷載、風(fēng)荷載、雨振風(fēng)振等動(dòng)力作用導(dǎo)致索體鋼絲承受循環(huán)荷載作用而產(chǎn)生疲勞破壞。多座纜索系統(tǒng)橋梁因?yàn)楦鞣N原因而不得不提前換索，既影響了橋梁的使用又造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，吊索的壽命遠(yuǎn)小于橋梁結(jié)構(gòu)的壽命。

2006年趙洋基于臨時(shí)吊索法對(duì)某系桿拱橋吊索進(jìn)行了更換，并提出不等步長(zhǎng)張拉臨時(shí)吊索的更換方案；2014年黃澤聯(lián)基于臨時(shí)兜吊法，采用有限元模擬分析吊索更換過程，得到系桿標(biāo)高以及吊索索力的變化規(guī)律；2014年王超偉利用Midas有限元軟件模擬分析吊索更換過程，重點(diǎn)分析吊索更換過程中臨吊體系的安全穩(wěn)定性；2015年王江鴻對(duì)汕頭海灣大橋吊索進(jìn)行了更換；美國(guó)福斯大橋由于吊索病害，也曾對(duì)全橋吊索進(jìn)行了更換。

該文以某懸索橋?yàn)橐劳?，基于該橋吊索出現(xiàn)的病害問題，進(jìn)行長(zhǎng)吊索更換技術(shù)研究。首先比對(duì)不同的吊索更換方法，提出適用于該橋吊索更換的方法；然后根據(jù)不同的吊索更換方案，基于有限元的模擬分析，選取適用于該橋吊索的更換方案。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

以中國(guó)某大跨懸索橋?yàn)楣こ虒?shí)例。該橋于1 999年建成通車，運(yùn)營(yíng)至今已有18年。橋梁總長(zhǎng)3 071 m，其中主跨長(zhǎng)1 385 m，橋塔高190 m，由鋼筋混凝土空心結(jié)構(gòu)與三道門式框架結(jié)構(gòu)的橫梁組成。錨碇為重力式錨碇。主梁采用流線形鋼箱梁斷面，鋼箱梁寬度36.9 m，高度3 m，其中橋面寬29.5 m，采用雙向六車道，兩側(cè)各設(shè)有寬1.8 m的檢修通道。

為防止吊索鋼絲出現(xiàn)病害，該橋吊索外部設(shè)有PE護(hù)套。但是由于吊索振動(dòng)和惡劣環(huán)境的影響，PE護(hù)套有所破壞，導(dǎo)致吊索內(nèi)部鋼絲銹蝕、破損。從2001年開始就發(fā)現(xiàn)吊索出現(xiàn)了病害并進(jìn)行不同程度的修補(bǔ)，但是經(jīng)過16年的運(yùn)營(yíng)，該橋吊索又產(chǎn)生了病害。

經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)橋梁下游19#吊索輕中度銹蝕。該吊索長(zhǎng)46.99 m，由109根直徑5 mm的平行鋼絲拉索組成。該橋吊索已服役18年，接近設(shè)計(jì)使用壽命，為累積吊索更換經(jīng)驗(yàn)，決定更換下游19#吊索。

2.2 有限元模型建立

該橋橋塔采用C50混凝土，彈性模量為3.50×104MPa，密度為2 600 kg/m3，泊松比為0.2；鋼箱梁采用16Mn材質(zhì)，彈性模量為2.10×105MPa，密度為7 850 kg/m3，泊松比為0.3；主梁與吊索之間采用虛擬剛臂進(jìn)行連接，虛擬剛臂長(zhǎng)度為上、下游吊索間距，有效截面積為0.1 m2，彈性模量和截面抗彎慣性矩為鋼箱梁的10倍，泊松比為0.1。虛擬剛臂只在主梁與吊索之間起到荷載傳遞的作用，對(duì)分析結(jié)果無影響。主纜及吊索相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 主纜及吊索相關(guān)參數(shù)

利用有限元軟件建立全橋模型，模擬分析吊索更換過程。為簡(jiǎn)化分析，將同一吊點(diǎn)的2根吊索簡(jiǎn)化成單根吊索，截面面積為原來吊索的2倍。橋梁主塔、鋼箱梁采用三維空間線性梁?jiǎn)卧狟31進(jìn)行模擬；主纜以及吊索采用三維桁架單元T3D2進(jìn)行模擬。充分利用橋梁靜載試驗(yàn)結(jié)果，盡可能真實(shí)模擬該橋的既有狀態(tài)。恒載考慮主梁、主纜和吊索的自重；活荷載包括風(fēng)荷載以及車道荷載，其中風(fēng)荷載僅考慮主梁橫橋向風(fēng)力，根據(jù)當(dāng)?shù)卮髿怵B(yǎng)護(hù)手冊(cè)，主梁橫向風(fēng)荷載設(shè)計(jì)風(fēng)速為27.1 m/s，參考JTG D60-01-2004《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，計(jì)算得到主梁橫向風(fēng)荷載為2.32 kN/m。有限元模型如圖1所示。

該橋作為國(guó)家公路的“咽喉”工程，日均車流量較大，吊索更換過程中封閉交通不符合實(shí)際要求。因此，在吊索更換過程中設(shè)計(jì)了5種不同的限載工況。工況1：六車道公路-Ⅰ級(jí)加載；工況2：上游三車道采用汽車-超20級(jí)，下游三車道采用汽車-20級(jí)；工況3：上游三車道采用汽車-超20級(jí)，下游封閉最外側(cè)車道，剩余車道采用汽車-20級(jí)；工況4：上游三車道采用汽車-超20級(jí)，下游封閉最外側(cè)車道，剩余車道采用掛車-100級(jí)；工況5：上游三車道采用汽車-超20級(jí)，下游封閉最外側(cè)車道，剩余車道采用掛車-80級(jí)。

圖1 有限元計(jì)算模型

3 吊索更換方法研究

3.1 吊索更換方法比選

目前常用的吊索更換方法主要有臨時(shí)支架法、臨時(shí)兜吊法和臨時(shí)吊索法。其共同原理就是采用臨時(shí)替代系統(tǒng)，將待換吊索的索力轉(zhuǎn)移到臨時(shí)替代上，然后拆除舊吊索，安裝新吊索，最后將臨時(shí)替代上的索力轉(zhuǎn)移到新吊索上。

(1) 臨時(shí)支架法：在待換吊索下方橫梁處設(shè)置鋼支架，通過臨時(shí)支架支撐橫梁，在索力卸載后拆除舊吊索。該方法操作簡(jiǎn)單，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生過大影響，可以保證吊索更換過程中橋梁始終處于安全狀態(tài)，適合單根吊索的更換。

(2) 臨時(shí)兜吊法：將橫梁用鋼絲繩兜吊在橋梁拱肋上，然后對(duì)吊索鋼絲進(jìn)行分批割斷，同時(shí)補(bǔ)張臨時(shí)兜吊系統(tǒng)，來平衡割斷鋼絲的索力。循環(huán)往復(fù)，直至割斷所有吊索鋼絲。該方法操作簡(jiǎn)單，但是在割斷鋼絲的過程中，舊吊索索力減少量無法確定，因此該方法具有一定的風(fēng)險(xiǎn)。

(3) 臨時(shí)吊索法：待換吊索旁安裝臨時(shí)吊裝系統(tǒng)，通過分批張拉臨時(shí)吊索，再分批割斷舊吊索鋼絲，最后安裝新吊索。該方法不僅適用于單根吊索的更換，還可以進(jìn)行全橋吊索的更換。

基于該橋吊索與耳板的連接方式為銷接式，耳板留有備用銷孔，因此可以采用臨時(shí)吊索法更換吊索。在待換吊索旁安裝臨時(shí)吊裝系統(tǒng)，臨時(shí)吊索上部通過臨時(shí)索夾與主纜連接，臨時(shí)吊索下部通過銷軸與耳板連接。

3.2 臨時(shí)吊索法有限元模擬

該橋吊索更換采用臨時(shí)吊索法，在下游19#吊索處安裝臨時(shí)吊裝系統(tǒng)。通過張拉臨時(shí)吊索，拆卸舊吊索。這個(gè)過程可以等效為在待換吊索兩端施加一對(duì)相向荷載，如圖2所示。

圖2 單點(diǎn)更換方案有限元模擬

根據(jù)臨時(shí)吊索數(shù)量的不同，該橋吊索更換可分為單點(diǎn)更換方案、三點(diǎn)更換方案以及五點(diǎn)更換方案。單點(diǎn)更換方案：即在19#吊索處張拉臨時(shí)吊索；三點(diǎn)更換方案：即在18#、19#、20#吊索處同時(shí)張拉臨時(shí)吊索；五點(diǎn)更換方案：即在17#、18#、19#、20#、21#吊索處同時(shí)張拉臨時(shí)吊索。

4 吊索更換方案比較分析

4.1 單點(diǎn)更換方案

單點(diǎn)更換方案是在19#吊索處安裝臨時(shí)吊裝系統(tǒng)，通過張拉臨時(shí)吊索，拆卸舊吊索。有限元模擬如圖2所示。

根據(jù)5種限載工況，計(jì)算得到各工況下臨時(shí)吊索索力值如表2所示。

表2 各工況下臨時(shí)吊索的索力值

由表2可知：工況4臨時(shí)吊索索力最大，最大臨時(shí)吊索索力為3 635 t。吊索更換過程中，理論上原吊索索力等于臨時(shí)吊索張拉力，但實(shí)際上臨時(shí)吊索張拉力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原來舊吊索索力。這主要跟橋梁整體剛度和吊索更換方法有關(guān)，橋梁整體剛度越大，吊索更換過程中臨時(shí)索力傳遞效率越低；同時(shí)，不同的吊索更換方法具有不同的荷載傳遞效率。

4.1.1 吊索索力變化

換索側(cè)吊索索力變化規(guī)律如圖3所示。在單點(diǎn)張拉臨時(shí)吊索直至19#吊索索力為0的過程中,由于橋面縱向剛度的影響，臨時(shí)吊索索力被分配到同側(cè)相鄰吊索上。其中，18#和20#吊索分配的臨時(shí)吊索索力最大，距離臨時(shí)吊索越遠(yuǎn)，各吊索分配到的臨時(shí)索力越小，15#和23#區(qū)間外吊索索力基本無變化。非換索側(cè)吊索索力變化規(guī)律如圖4所示，在對(duì)下游進(jìn)行吊索更換時(shí)，上游吊索索力基本無變化，說明在更換橋梁一側(cè)吊索時(shí)，對(duì)異側(cè)吊索索力影響較小，可忽略不計(jì)。

4.1.2 主纜與主梁豎向位移變化

主纜與主梁的位移變化規(guī)律如表3所示。在吊索更換時(shí)，臨時(shí)吊索處主纜與主梁豎向位移變化較大，其中主纜下降67.32 mm，主梁抬升47.68 mm，19#吊索上、下錨點(diǎn)間距縮短了110 mm。在張拉臨時(shí)吊索過程中，由于橋面剛度以及整體性的影響，臨時(shí)吊索兩側(cè)18#和20#吊索處主梁與主纜位移變化較大，距離臨時(shí)吊索越遠(yuǎn)，主纜與主梁位移變化越小。非換索側(cè)主纜與主梁位移變化很小，說明在一側(cè)更換吊索時(shí)，不會(huì)對(duì)異側(cè)主纜與主梁產(chǎn)生明顯影響。

圖3 換索側(cè)索力

圖4 非換索側(cè)索力

吊索編號(hào)換索側(cè)/mm主梁位移主纜位移非換索側(cè)/mm主梁位移主纜位移13#-2.83-2.44-2.05-1.3814#-2.21-1.95-1.45-0.5515#-0.61-1.21-0.020.9816#2.57-1.192.693.3017#8.18-3.676.816.1318#15.71-21.5510.828.1819#47.68-62.327.068.0220#14.76-19.2410.668.2521#7.69-1.276.556.0722#2.800.572.503.0623#0.200.2000.7024#-1.00-0.70-1.20-0.7025#-1.20-1.10-1.80-1.50

注：負(fù)值表示下降，正值表示抬升。

4.2 三點(diǎn)更換方案

三點(diǎn)更換方案是在18#、19#和20#吊索處張拉臨時(shí)吊索。有限元模擬就是在18#、19#和20#吊索兩端各施加一對(duì)相向荷載。各工況下臨時(shí)吊索的索力值如表4所示。

表4 各工況下臨時(shí)吊索的索力值

由表4可知：工況4臨時(shí)吊索索力最大，最大臨時(shí)吊索索力為2 220 kN。三點(diǎn)更換方案與單點(diǎn)更換方案相比，臨時(shí)吊索索力減少1 415 kN，索力降幅達(dá)到原來單點(diǎn)更換方案臨時(shí)吊索索力的38.9%。

4.2.1 吊索索力變化

由前述單點(diǎn)更換方案可以發(fā)現(xiàn)：在該橋一側(cè)進(jìn)行吊索更換時(shí)，對(duì)異側(cè)吊索索力影響較小，可以忽略不計(jì)，因此這里只列出換索側(cè)吊索索力，如圖5所示。由于臨時(shí)吊索數(shù)量的增加，更多的臨時(shí)吊索索力被分配到同側(cè)相鄰吊索上，16#～21#區(qū)間內(nèi)吊索索力有所變化，索力影響區(qū)域相比單點(diǎn)更換方案有所增加，并且距離臨時(shí)吊索越遠(yuǎn)，吊索索力變化越小，16#到21#區(qū)間外吊索索力不受影響。

4.2.2 主纜與主梁豎向位移變化

由前述單點(diǎn)更換方案可以發(fā)現(xiàn)：在該橋一側(cè)進(jìn)行吊索更換時(shí)，對(duì)異側(cè)主纜與主梁影響較小，可以忽略不計(jì)。因此，三點(diǎn)更換方案只列出換索側(cè)主纜與主梁位移變化，如表5所示。19#臨時(shí)吊索處主纜與主梁豎向位移變化最大，主纜下降62.67 mm，主梁抬升47.37 mm，上、下錨點(diǎn)間距縮短了110.04 mm，距離臨時(shí)吊索越遠(yuǎn)，主纜與主梁位移變化越小。

圖5 換索側(cè)索力

吊索編號(hào)位移變化值/mm主梁主纜吊索編號(hào)位移變化值/mm主梁主纜13#-4.83-4.2820#41.37-49.0114#-3.32-3.4221#14.44-11.3515#0.12-2.7722#5.90-0.2416#6.62-4.0823#0.80-0.1017#16.78-17.0024#-1.60-1.3018#44.47-54.5625#-2.30-2.1019#47.37-62.67

注：負(fù)值表示下降，正值表示抬升。

4.3 五點(diǎn)更換方案

五點(diǎn)更換方案是在17#、18#、19#、20#和21#吊索處張拉臨時(shí)吊索。有限元模擬方法是在5根吊索兩端各施加一對(duì)相向荷載。各工況下臨時(shí)吊索索力值如表6所示。

表6 各工況下臨時(shí)吊索的索力值

由表6可知：工況4臨時(shí)吊索索力最大，最大臨時(shí)吊索索力為2 000 kN。五點(diǎn)更換方案與單點(diǎn)更換方案相比，最大臨時(shí)吊索索力減少了1 635 kN，索力降幅達(dá)到單點(diǎn)更換方案臨時(shí)吊索索力的44.98%。五點(diǎn)更換方案與三點(diǎn)更換方案相比，臨時(shí)吊索索力減少220 kN，索力降幅并不明顯。

4.3.1 吊索索力變化

更換前后吊索索力變化規(guī)律如圖6所示。由于臨時(shí)吊索數(shù)量的增加，索力影響區(qū)域明顯增大，14#～24#區(qū)間內(nèi)吊索索力受吊索更換影響較大，并且距離臨時(shí)吊索越遠(yuǎn)，索力影響越小，14#～24#區(qū)間外吊索索力基本不受影響。

4.3.2 主纜與主梁豎向位移變化

主梁與主纜位移變化規(guī)律如表7所示。19#臨時(shí)吊索處主纜與主梁位移變化最大，主纜下降59.12 mm，主梁抬升50.98 mm，上、下錨點(diǎn)間距縮短了110.1 mm，距離臨時(shí)吊索越遠(yuǎn)，主纜與主梁位移變化越小。

圖6 換索側(cè)索力

吊索編號(hào)位移變化值/mm主梁主纜吊索編號(hào)位移變化值/mm主梁主纜13#-5.92-5.9320#45.67-54.0014#-2.54-5.3321#36.02-41.2715#4.19-6.5122#10.80-9.7816#15.17-18.3423#2.90-1.4017#43.45-53.0024#-1.40-1.9018#50.59-61.8825#-3.10-2.9019#50.58-59.12

注：負(fù)值表示下降，正值表示抬升。

5 吊索更換方案校核

單點(diǎn)、三點(diǎn)和五點(diǎn)更換方案最大臨時(shí)吊索索力分別為3 635、2 220和2 000 kN。隨著臨時(shí)吊索數(shù)量的增加，臨時(shí)吊索索力逐漸減小。三點(diǎn)更換方案與單點(diǎn)更換方案相比，臨時(shí)吊索索力減小了38.9%，索力降幅明顯。但是五點(diǎn)更換方案與三點(diǎn)更換方案相比，臨時(shí)吊索索力僅減少了9.9%，索力降幅不明顯。這說明，隨著臨時(shí)吊索數(shù)量的增加，各方案之間臨時(shí)吊索索力降幅逐漸減小。

該橋吊索更換采用臨時(shí)吊索法，吊索更換必須要滿足一定的條件。首先要保證吊索上、下錨點(diǎn)間距縮短量必須大于吊索在對(duì)應(yīng)工況下的最大伸長(zhǎng)量，才能拆卸舊吊索。其次，由于臨時(shí)吊索索力的增加，索夾與主纜之間容易產(chǎn)生滑移。因此有必要對(duì)上述更換方案進(jìn)行校核。

5.1 上、下錨點(diǎn)間距縮短量校核

該橋19#吊索長(zhǎng)度為47 m，截面面積為2 140 mm2，彈性模量為2×105MPa，單根吊索最大索力為950 kN，根據(jù)吊索材料以及截面特性可以計(jì)算出吊索最大拉伸量為104.3 mm。3種吊索更換方案上、下錨點(diǎn)間距縮短量均大于該值，所以3種更換方案均滿足拆卸舊吊索的要求。

5.2 索夾下滑力校核

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，索夾與主纜之間必須保證一定的抗滑移安全系數(shù)，以防止索夾下滑。該橋吊索索夾抗滑移安全系數(shù)取值為3，17#～21#區(qū)間內(nèi)吊索索夾上有8顆高強(qiáng)螺栓，單顆螺栓的設(shè)計(jì)預(yù)緊力為500 kN，各吊索索夾與主纜之間的夾角角度見表8。不考慮臨時(shí)索夾的抗滑移性能，僅在原永久索夾下，索夾抗滑移安全系數(shù)按照公式Kfc=Ffc/Nc≥3進(jìn)行計(jì)算。其中，Nc=Nh·sinφ，F(xiàn)fc=k·u·Ptot。式中：Kfc為索夾抗滑移安全系數(shù)；Nc為主纜上索夾的下滑力(N)；Nh為吊索拉力(N)；φ為索夾在主纜上的安裝傾角；Ffc為索夾抗滑摩阻力(N)；k為緊固壓力分布不均勻系數(shù)，取2.8；u為摩擦系數(shù)，取0.15。計(jì)算結(jié)果如表8所示。

表8 索夾抗滑驗(yàn)算

單點(diǎn)更換方案索夾抗滑移安全系數(shù)為2.2，小于規(guī)范規(guī)定的索夾抗滑移安全系數(shù)3，不滿足規(guī)范規(guī)定的要求。三點(diǎn)和五點(diǎn)更換方案索夾抗滑移安全系數(shù)均大于3，滿足規(guī)范規(guī)定的要求。

從上面分析可以看出：多點(diǎn)張拉臨時(shí)吊索的更換方案，可以有效減小臨時(shí)吊索索力，避免索夾下滑。顯然，從安全角度出發(fā)，應(yīng)該采用臨時(shí)吊索索力小的更換方案，因此，可認(rèn)為五點(diǎn)更換方案更適合于該橋吊索的更換。

6 結(jié)論

(1) 基于該懸索橋吊索與耳板的連接為銷接式，采用臨時(shí)吊索法更換吊索。

(2) 對(duì)比分析3種更換方案，發(fā)現(xiàn)隨著臨時(shí)吊索數(shù)量的增加，臨時(shí)吊索索力逐漸減小，各方案之間臨時(shí)吊索索力降幅也在逐漸減小。

(3) 五點(diǎn)更換方案臨時(shí)吊索最大索力為2 000 kN，相較于單點(diǎn)和三點(diǎn)更換方案，臨時(shí)吊索索力各減少了1 635和2 200 kN，從安全方面考慮，五點(diǎn)更換方案更適用于該橋吊索更換。

(4) 在吊索更換過程中，換索側(cè)相鄰吊索受吊索更換影響較大，非換索側(cè)受吊索更換影響較小。

(5) 多點(diǎn)張拉臨時(shí)吊索可以有效減小臨時(shí)吊索索力，避免索夾下滑。