運(yùn)營(yíng)期長(zhǎng)吊索單吊點(diǎn)局部無應(yīng)力拆裝換索技術(shù)研究

王繼林,董凌峰,金旭輝,夏葉飛

(華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，南京 210014)

懸索橋吊索易損件的使用壽命相對(duì)較短，運(yùn)營(yíng)期間會(huì)出現(xiàn)耐久性降低、疲勞損傷和強(qiáng)度損傷等情況，應(yīng)及時(shí)評(píng)估和更換。大跨徑懸索橋吊索的長(zhǎng)度較長(zhǎng)、剛度較柔、安全要求高，難以采用中小拱橋所采用的部分?jǐn)_動(dòng)兜吊法實(shí)施切割舊索更換新索工藝[1]。懸索橋吊索更換一般采用臨時(shí)拉索和工裝卸載舊索進(jìn)行更換的工藝方法。2010年江陰長(zhǎng)江大橋懸索橋主橋采用2根臨時(shí)索張拉將上下耳板中的短吊索銷軸卸載并敲出的方式取出舊索后更換新短索[2-3]。2018年江陰長(zhǎng)江大橋懸索橋開展長(zhǎng)吊索的更換工作，采用五吊點(diǎn)同時(shí)起吊臨時(shí)拉索實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)吊索的更換安裝[4-5]。2015年汕頭海灣大橋懸索橋利用橋面桁架、張拉吊桿及錨固裝置實(shí)現(xiàn)舊索卸載和新索安裝[6]。以上工藝無論是單吊點(diǎn)還是多吊點(diǎn)張拉卸載舊索，都是利用臨時(shí)拉索完全釋放整根更換索索力[7]，因此換索期間會(huì)產(chǎn)生較大位移量，一般要采用多根臨近索平緩過渡，工程措施較復(fù)雜。如對(duì)于70 m吊索，若將800 kN索力卸載，吊桿全長(zhǎng)縮短25 cm才能達(dá)到無應(yīng)力狀態(tài)，因此換索對(duì)橋梁主纜和鋼箱梁結(jié)構(gòu)擾動(dòng)較大，亟須研究出對(duì)懸索橋結(jié)構(gòu)擾動(dòng)較小的拆換索工藝。

另外，懸索橋柔性較大、動(dòng)力響應(yīng)特征明顯、對(duì)通行車流敏感[8]，隨著來往車輛車速和車重的增加，橋梁跨中豎向位移和加速度時(shí)程曲線振動(dòng)特征變化明顯，動(dòng)力響應(yīng)也呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)。但由于懸索橋?qū)儆诮煌ü?jié)點(diǎn)工程，交通流量大，難以對(duì)橋面進(jìn)行交通封閉換索施工。在不封閉交通的情況下，吊索能否順利更換主要取決于銷軸是否可以順利取出、施工監(jiān)控指標(biāo)選取是否合理以及換索過程中構(gòu)件受力變化是否正常等，目前相關(guān)研究資料較少。

為減少換索時(shí)結(jié)構(gòu)擾動(dòng)，研究提出運(yùn)營(yíng)期長(zhǎng)吊索單吊點(diǎn)局部無應(yīng)力拆裝換索技術(shù)[9]。即一期局部卸載吊索銷軸段至無應(yīng)力狀態(tài)下拆除銷軸，二期逐漸卸載整根吊索。同時(shí)對(duì)拆除舊索和安裝新索過程中結(jié)構(gòu)的受力轉(zhuǎn)換進(jìn)行過程分析。在不封閉交通情況下對(duì)運(yùn)營(yíng)中吊索和鋼箱梁的時(shí)程響應(yīng)進(jìn)行分析，提出施工監(jiān)控技術(shù)控制指標(biāo)，指導(dǎo)換索有序進(jìn)行。

1 橋梁概況

某懸索橋索塔高為209.9 m，主跨為1 490 m，該橋?yàn)閱慰纂p鉸鋼箱梁懸索橋。主纜矢跨比為1/9.96，中心距為34.3 m。加勁梁為全焊扁平閉口流線型單箱單室鋼箱梁。吊索為上下銷接的平行鋼絲束，吊索間距為16.1 m，每個(gè)吊點(diǎn)含2根吊索。每根吊索由鍍鋅高強(qiáng)鋼絲組成。吊索的直徑為58 mm，鋼絲強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 670 MPa，吊索采用109Φ5平行鋼絲并外包PE(聚乙烯)護(hù)套，全橋吊索共360根。索夾采用鑄鋼，吊索上下錨端均為順橋向銷接式，跨中設(shè)置剛性中央扣連接。橋塔采用門式鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，鉆孔灌注樁群樁基礎(chǔ),錨碇采用重力式錨體。設(shè)計(jì)荷載為汽車-超20級(jí)、掛車-120標(biāo)準(zhǔn)。橋面寬度為32.5 m，采用雙向六車道。橋梁立面示意如圖1所示。2017年懸索橋西幅發(fā)生交通事故并引發(fā)火災(zāi)，其15#和16#吊索平行鋼絲外露受火損傷，須更換受損吊索。由于橋型結(jié)構(gòu)復(fù)雜、橋梁動(dòng)力特性明顯，并且在不封閉交通的情況下吊索更換工藝更加復(fù)雜,受管理單位委托對(duì)該懸索橋換索工程進(jìn)行課題專項(xiàng)研究。基于課題研究成果，于2019年完成該懸索橋受損吊索更換。

圖1 橋梁立面示意(單位：cm)

2 拆裝換索方案設(shè)計(jì)

2.1 多種換索方案綜合評(píng)價(jià)

在充分調(diào)研江蘇省江陰長(zhǎng)江公路大橋懸索橋短吊索和長(zhǎng)吊索更換技術(shù)后，為本項(xiàng)目提出4種換索技術(shù)方案并進(jìn)行對(duì)比分析。4種技術(shù)方案的吊索換索構(gòu)造如圖2所示，4種換索技術(shù)方案對(duì)比如表1所示。

(a)方案一

表1 4種換索技術(shù)方案對(duì)比

方案一和方案二中的臨時(shí)拉索張拉，主要是為了調(diào)整更換索初始索力。拆索通過直接頂推更換索實(shí)現(xiàn)，一期將銷軸段卸載至無應(yīng)力狀態(tài)，將索銷軸拆除，二期將整根索逐漸卸載至無應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)相鄰索索力改變不明顯。靜力分析顯示，方案一中主纜最大發(fā)生-38 mm位移，方案二中主纜最大發(fā)生-21.5 mm位移。方案三和方案四通過張拉臨時(shí)索，將更換索索力整根直接卸載至0，不直接張拉更換索，對(duì)相鄰索索力改變明顯。方案三屬于單吊點(diǎn)張拉臨時(shí)索換索，方案四屬于多吊點(diǎn)張拉臨時(shí)索換索，拆索時(shí)均直接將吊索全部卸載至無應(yīng)力狀態(tài)。靜力分析顯示，方案三中主纜最大發(fā)生-119 mm 位移，方案四中主纜最大發(fā)生-120 mm位移，對(duì)結(jié)構(gòu)整體擾動(dòng)明顯。單吊點(diǎn)換索錨頭局部應(yīng)力集中明顯，分析局部鋼結(jié)構(gòu)易塑性破壞。方案一較方案二有更強(qiáng)的索力調(diào)節(jié)功能，換索時(shí)吊索安全度更高。從減少結(jié)構(gòu)擾動(dòng)、提升施工便捷性以及儲(chǔ)備吊索新技術(shù)角度分析，最終選擇方案一進(jìn)行深化研究和實(shí)踐。

2.2 換索方案的工裝深化設(shè)計(jì)

根據(jù)方案一對(duì)換索工藝工裝進(jìn)行深化設(shè)計(jì)。長(zhǎng)吊索單吊點(diǎn)局部無應(yīng)力拆裝工裝是利用鋼箱梁吊耳上2個(gè)預(yù)留吊耳孔布置2根主拉桿，主拉桿連接橫梁，橫梁兩端連接著騎跨在主纜上的臨時(shí)吊索。2根橫梁下側(cè)布置2根反力梁，作為頂推舊吊索和安裝新吊索的千斤頂?shù)姆戳?。吊索拆裝工裝設(shè)計(jì)如圖3所示，拆索階段吊索受力示意如圖4所示。

圖3 吊索拆裝工裝設(shè)計(jì)

在不封閉交通的情況下,換索工藝流程主要為：安裝2根臨時(shí)吊索和索夾設(shè)備，先頂推臨時(shí)吊索至設(shè)定索力值，然后安裝要更換的16#2舊索頂推系統(tǒng)，用千斤頂頂推反力梁，待更換舊索頂推點(diǎn)以下的吊索卸載，此時(shí)耳板及吊索銷軸處于無應(yīng)力狀態(tài)，一期拆除銷軸，二期逐漸釋放吊索頂推力，整根吊索卸載時(shí)完成舊索拆除。安裝新索前安裝新鎖頂推系統(tǒng)，千斤頂先頂推新索，待新索銷軸對(duì)中后安裝銷軸，并逐漸釋放頂推力，完成新索安裝。同樣方法安裝16#1新索，換索后釋放2根臨時(shí)吊索頂推力，拆除臨時(shí)吊索、橫梁及臨時(shí)索夾，清理現(xiàn)場(chǎng)，完成16#吊索更換。吊索更換施工步驟及階段劃分如表2所示，換索過程示意如圖5所示。

(a)吊索火損

表2 吊索更換施工步驟及階段劃分

3 不封閉交通對(duì)換索影響分析

3.1 有限元分析模型

全橋采用脊骨梁結(jié)構(gòu)有限元模型，有限元模型如圖6所示，吊索通過剛臂與脊骨梁連接。懸索橋的跨中中央扣采用耦合的方法，將中央扣和剛臂連接在一起。邊界條件為兩側(cè)地錨和橋墩節(jié)點(diǎn)約束全部自由度。在橋的兩端布置縱向阻尼器，有限元模型中采用Combin37單元模擬阻尼器的力-速度非線性行為。吊索初始索力采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值輸入的方式。

圖6 有限元模型

3.2 環(huán)境因素影響分析

大跨徑懸索橋剛度較小,外界環(huán)境作用下動(dòng)力響應(yīng)特征顯著。在不封閉交通的情況下進(jìn)行換索,須在實(shí)際車流環(huán)境下對(duì)橋梁動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行精確分析，研究實(shí)際車流等外部環(huán)境對(duì)施工的影響程度，提取施工監(jiān)控指標(biāo)，從而指導(dǎo)施工。

1)風(fēng)和溫度效應(yīng)影響

為減小風(fēng)和溫度作用對(duì)換索節(jié)點(diǎn)工藝的影響，選擇較小風(fēng)速和較穩(wěn)定的氣溫條件下進(jìn)行施工。換索過程中橋面風(fēng)速為0～2 m/s，風(fēng)力等級(jí)在1～2級(jí)水準(zhǔn)。主纜溫度為32～33 ℃、橋面溫度為40～41 ℃、箱梁內(nèi)部的溫度為39～41 ℃，施工中溫度較為穩(wěn)定。由于溫度變化較為緩慢,對(duì)換索過程中拆除銷軸和安裝銷軸的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)工程施工影響較小。

2)不封閉交通效應(yīng)影響

根據(jù)實(shí)際車流環(huán)境下橋梁時(shí)程分析，步驟2階段的16#吊索索力約為582.6 kN，索力振動(dòng)波幅占索力均值0.2%，實(shí)測(cè)運(yùn)營(yíng)期索力波幅占索力均值不超過1%。這說明在不封閉交通情況下，吊索實(shí)時(shí)索力較為穩(wěn)定，主纜與鋼箱梁位移較一致,吊索長(zhǎng)度變化較小。因此換索時(shí)銷軸可以從耳板中拆除或安裝，不會(huì)因隨機(jī)交通作用導(dǎo)致銷軸卡死的情況產(chǎn)生。步驟2階段的16#吊索位置處鋼箱梁位移振幅為-50～+20 cm,平均振幅為35 cm，鋼箱梁具有較顯著的動(dòng)位移響應(yīng)。實(shí)際車流作用下吊索索力理論時(shí)程曲線如圖7所示，實(shí)際車流作用下吊索處鋼箱梁位移時(shí)程曲線如圖8所示。

圖7 實(shí)際車流作用下吊索索力理論時(shí)程曲線

圖8 實(shí)際車流作用下吊索處鋼箱梁位移時(shí)程曲線

分析可知實(shí)際車流作用下懸索橋雖然主纜和鋼箱梁動(dòng)位移效應(yīng)顯著，但吊索與鋼箱梁位移同步協(xié)調(diào)性好,吊索索力較為穩(wěn)定,基本呈現(xiàn)通車狀態(tài)下“動(dòng)態(tài)穩(wěn)定效應(yīng)”。因此在不封閉橋面交通情況下，可實(shí)現(xiàn)索銷軸拆除與安裝,長(zhǎng)吊索單吊點(diǎn)局部無應(yīng)力銷軸拆裝施工關(guān)鍵方案可行，另吊索索力和索長(zhǎng)可作為換索施工監(jiān)控指標(biāo)。

4 換索過程受力分析

4.1 索力分析

換索過程中更換索索力曲線如圖9所示，毗鄰吊索索力增量如圖10所示。

圖9 換索過程中更換索索力曲線

圖10 毗鄰吊索索力增量

由于運(yùn)營(yíng)期間索力較為穩(wěn)定,可認(rèn)為運(yùn)營(yíng)期索力不變,對(duì)換索過程中索力變化進(jìn)行靜力計(jì)算。新舊索頂推力與頂推點(diǎn)位置相關(guān)，根據(jù)本次頂推位置測(cè)算出16#2吊索在步驟3-1、步驟4-1時(shí)新舊索最大頂推力為839 kN，16#1吊索在步驟5-1、步驟6-1時(shí)最大頂推力為822 kN，最大頂推力接近臨時(shí)索調(diào)整前吊索初始索力。臨時(shí)索調(diào)整降低的吊索索力在拆索時(shí)剛好被恢復(fù)，使換索對(duì)結(jié)構(gòu)擾動(dòng)影響最小，臨時(shí)索力調(diào)整目標(biāo)達(dá)成。換索后新索索力基本可以恢復(fù)初始狀態(tài)。步驟2階段臨時(shí)索張拉使毗鄰索索力減少200 kN。

4.2 位移分析

由換索施工過程中靜力分析可知，步驟4和步驟6新索安裝處主纜發(fā)生最大位移為-38 mm，安裝過程中換索處主纜向下發(fā)生0～38 mm位移,主纜位移影響范圍較小。步驟6換吊索處鋼箱梁最大位移為8 mm，安裝過程中換索處鋼箱梁發(fā)生-7～8 mm位移,鋼箱梁位移影響范圍較大。換索過程中吊索長(zhǎng)度最大縮短了46 mm,遠(yuǎn)大于實(shí)際車流產(chǎn)生約0.1 mm吊索長(zhǎng)度變化幅度。換索工況主纜靜力位移如圖11所示，換索工況鋼箱梁靜力位移如圖12所示。

圖11 換索工況主纜靜力位移

圖12 換索工況鋼箱梁靜力位移

分析可知，換索張拉引起的主纜和鋼箱梁位移會(huì)被實(shí)際車流的35 cm振幅的位移湮沒,施工中不能以橋面位移作為監(jiān)控指標(biāo)。在實(shí)際車流作用下，主纜和鋼箱梁位移具有高度一致性,吊索長(zhǎng)度變化較小,換索張拉引起吊索長(zhǎng)度變化較大,因張拉導(dǎo)致吊索長(zhǎng)度變化規(guī)律明顯,可以采用吊索長(zhǎng)度指標(biāo)監(jiān)控?fù)Q索施工情況。

5 換索索力監(jiān)控分析

基于課題研究結(jié)論進(jìn)行長(zhǎng)吊索更換，索更換施工歷時(shí)47 d，順利完成換索任務(wù)。換索過程中選擇索力指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)采用錨索計(jì)和振動(dòng)法聯(lián)合監(jiān)測(cè)索力，錨索計(jì)數(shù)據(jù)較為可靠。步驟4階段16#2吊索索力實(shí)測(cè)時(shí)程曲線如圖13所示，步驟6階段16#1吊索索力實(shí)測(cè)時(shí)程曲線如圖14所示(1根索有2個(gè)錨索計(jì))。各階段因?qū)嶋H車流引起的索力振幅與理論分析一致，索力振幅不明顯,索力張拉信號(hào)特征清晰。通過監(jiān)測(cè)可知，更換索實(shí)測(cè)初始索力最大為937 kN，步驟4階段16#2新索實(shí)測(cè)索力為743 kN,步驟6階段16#1新索實(shí)測(cè)索力為821 kN，實(shí)測(cè)索力最小為503 kN，施工過程中實(shí)際索力一直未超運(yùn)營(yíng)期數(shù)值。毗鄰吊索實(shí)測(cè)初始索力為900 kN,換索期間索力最小為635 kN，因此永久吊索實(shí)測(cè)索力均遠(yuǎn)小于《公路懸索橋設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T D65-05—2015)中的允許值(1 624 kN)。臨時(shí)吊索實(shí)測(cè)初始索力為560 kN,換索期間最大索力為731 kN，遠(yuǎn)小于允許值。吊索和臨時(shí)索索力實(shí)測(cè)值接近理論值，理論值和實(shí)測(cè)值變化曲線較一致,實(shí)測(cè)值與理論值比值為0.89～1.28。更換索索力理論值與實(shí)測(cè)值曲線如圖15所示，臨時(shí)索和毗鄰索索力理論值與實(shí)測(cè)值曲線如圖16所示。

圖13 步驟4階段16#2吊索索力實(shí)測(cè)時(shí)程曲線

圖14 步驟6階段16#1吊索索力實(shí)測(cè)時(shí)程曲線

圖15 更換索索力理論值與實(shí)測(cè)值曲線

圖16 臨時(shí)索和毗鄰索索力理論值與實(shí)測(cè)值曲線

6 結(jié)論

通過全面分析和精細(xì)施工，在不封閉交通的情況下成功完成懸索橋單吊點(diǎn)局部無應(yīng)力拆裝換索工程。通過課題研究和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，得到以下結(jié)論。

(1)根據(jù)4種換索技術(shù)方案評(píng)價(jià)，選擇方案一(單吊點(diǎn)局部無應(yīng)力拆裝換索技術(shù)方案)作為長(zhǎng)吊索換索方案。相比多吊點(diǎn)張拉換索技術(shù)方案，方案一換索時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響小并且造價(jià)低，對(duì)少量吊索和高塔處吊索進(jìn)行更換時(shí)更有明顯優(yōu)勢(shì)。

(2)結(jié)合單吊點(diǎn)局部無應(yīng)力拆裝換索技術(shù)思路，在方案一基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了換索工裝和工藝，并已將其成功應(yīng)用于懸索橋換索項(xiàng)目。

(3)通過實(shí)際車流時(shí)程分析，16#吊索與鋼箱梁同步位移協(xié)調(diào)性較好,吊索索力較穩(wěn)定，在不封閉橋面交通情況下可實(shí)現(xiàn)索銷軸拆除與安裝,較容易實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)吊索單吊點(diǎn)局部無應(yīng)力拆裝施工。

(4)在不封閉橋面交通情況下，通過實(shí)際車流時(shí)程分析，發(fā)現(xiàn)吊索索力和索長(zhǎng)適合作為換索施工監(jiān)控指標(biāo)，橋面位移等指標(biāo)不適合作為監(jiān)控指標(biāo)。

(5)通過監(jiān)控分析可知，更換的吊索和臨時(shí)索索力實(shí)測(cè)值接近理論值，理論值和實(shí)測(cè)值變化曲線較一致,實(shí)測(cè)值與理論值比值為0.89～1.28，吊索實(shí)測(cè)索力均小于《公路懸索橋設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T D65-05—2015)中的允許值。