非洲地區(qū)懸索橋全吊索更換施工關(guān)鍵技術(shù)研究

◎ 陳豪舉 李元博 李大龍 佘會忠 李昊然

1.中國路橋工程有限責(zé)任公司；2.中交二公局第二工程有限責(zé)任公司

1.項目簡介

莫桑比克SAVE河懸索橋位于南部非洲國家莫桑比克的中部地區(qū)，連接伊尼揚(yáng)巴內(nèi)省與索法拉省，由葡萄牙的埃德加·卡多佐教授在20世紀(jì)60年代設(shè)計，建造完成時間約為1972年，設(shè)計使用壽命為50年。

該橋為4塔5跨懸索橋，全長830m，跨徑組成為20m+210m×3+120m。橋面寬度11.6m，布置2條寬3.6m的車道和2條寬1.85m的人行道。全橋設(shè)計構(gòu)思巧妙，布局簡潔美觀，體現(xiàn)了20世紀(jì)中葉歐洲橋梁建筑師的設(shè)計風(fēng)格。

2.懸索橋舊吊索的主要病害及其次生病害描述

SAVE河懸索橋作為連通莫桑比克南北的唯一國道交通咽喉，自1972年通車至換索時已服務(wù)約49年，伴隨設(shè)計壽命的臨近，服務(wù)運(yùn)營期間逐年增長的車輛重載以及缺乏專業(yè)養(yǎng)護(hù)團(tuán)隊的維護(hù)保養(yǎng)，為該橋結(jié)構(gòu)尤其是承重吊索系統(tǒng)積累了不少嚴(yán)重的質(zhì)量病害。

根據(jù)吊索系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征，分析吊索的主要病害及次生病害如下：

2.1 吊索的主要病害描述

（1）上錨固區(qū)主要病害。吊索上錨固區(qū)的主要病害為鋼構(gòu)件銹蝕、主纜纏絲松動、索夾滑移等。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，大橋部分索夾出現(xiàn)明顯滑移，最大滑移量達(dá)40cm。主要原因包括兩點(diǎn)：一是大橋年久失修，日常巡檢養(yǎng)護(hù)不到位，導(dǎo)致緊固索夾的高強(qiáng)螺栓的緊固力減??；二是大橋主纜基本情況良好，但部分段落在修建時并未做好整形工作，導(dǎo)致主纜呈鼻形，導(dǎo)致部分索夾內(nèi)部出現(xiàn)明顯空隙。

（2）下錨固區(qū)主要病害。吊索下錨固區(qū)的主要病害為吊索本身的銹蝕。特別是在吊索從橋面進(jìn)入主梁混凝土的交界面處銹蝕情況尤為嚴(yán)重。該位置處易形成積水，且基本未進(jìn)行防護(hù)，極易形成銹蝕。根據(jù)評估，全橋吊索基本均處于中等銹蝕狀態(tài)，少量輕微銹蝕，部分銹蝕極其嚴(yán)重。銹蝕嚴(yán)重的吊索，已銹斷2/3，隨時有斷裂風(fēng)險。

（3）主要病害之吊索索力不均。本橋自2002年第一次發(fā)生吊索斷裂至今已累計更換了46根舊吊索（上游21根，下游25根）。由于彼時更換技術(shù)較為粗糙，僅憑借經(jīng)驗張拉臨時吊索，未注重吊索力或橋面線形的同步調(diào)整，再加上主梁長期運(yùn)營后可能產(chǎn)生的主梁橫向扭轉(zhuǎn)的影響，全橋吊索存在不同程度的索力不均與索長不定等問題。

為摸清舊吊索的索力分布差異，采用正弦式索力計測量斜拉索索力。

根據(jù)拉鎖自由振動方程：

式中EI為索股的抗彎剛度，w為拉索的橫向動位移，x為沿拉索方向的坐 標(biāo)，T為拉索張力，m為索的單位長度質(zhì)量。

模擬拉索兩端簡支，上式可簡化為：

式中n(n=1，2，3，……)為拉索自振頻率的階數(shù)，l為拉索的計算索長。如果忽略抗彎剛度的影響，上式可簡化為：

通過對本橋每道橫梁位置的上、下游側(cè)同位（南/北）的兩根舊吊索索力的測算對比，發(fā)現(xiàn)有近30%的同位吊索之間的索力差異在20%以上。

2.2 主要病害影響下的橋梁次生病害

受舊吊索索夾滑移和索力不均等主要病害的影響，懸索橋存在如下次生病害：橋面線形起伏、不勻順、呈波浪狀；主梁梁端擠壓破損，橋面板相鄰伸縮縫擠死或高程突變；縱橫梁間銅板支座脫空或偏位。

橋面線形的波動主要表現(xiàn)：一是在縱橋向跨中上拱而兩側(cè)主塔處下沉，高差超過60cm，導(dǎo)致主塔處主梁與橫向支座發(fā)生明顯豎向錯位。二是在索力不均及支座問題的綜合作用下，主梁橫橋向部分段落高差較大，最值超過13.9cm。

3.吊索更換施工方案

吊索的更換的最終結(jié)果是實(shí)現(xiàn)懸索橋全橋328根舊吊索在更換為新吊索后的橋面線形標(biāo)高應(yīng)符合設(shè)計目標(biāo)值。通過對既有病害原理的分析，為達(dá)到此目標(biāo)，需要進(jìn)行索夾復(fù)位、消除上下游高差、減小主梁的橫向扭轉(zhuǎn)以及索力調(diào)整以減小同位吊索的不平衡受力。施工實(shí)踐中以每跨內(nèi)的橋面縱向線形是否平順為輔助判斷依據(jù)。

根據(jù)全吊索更換的要求，懸索橋全橋328根舊吊索均需更換為新吊索。新吊索采用預(yù)制平行鋼絲束，鋼絲束外擠包4.5mm黑色HDPE進(jìn)行防護(hù)，護(hù)套外徑54mm，最短索長約12.5m，最長索長約34m。每根新吊索均由61根鋼絲組成，鋼絲采用直徑5.0mm鍍鋅高強(qiáng)鋼絲，鋼絲標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度不小于1860Mpa。新吊索由國內(nèi)專業(yè)廠家加工生產(chǎn)后，海運(yùn)進(jìn)場[1]。

3.1 吊索更換的施工準(zhǔn)備

吊索更換的施工準(zhǔn)備包括施工平臺和索力轉(zhuǎn)換裝置的準(zhǔn)備，并在總體上對全橋施工流程和每次吊索更換的工序進(jìn)行確定。

（1）施工平臺的準(zhǔn)備。

1）騎跨主纜的上施工平臺。主纜距離橋面的距離在9.7m～32.1m之間，為滿足施工人員到達(dá)主纜高度并在主纜上完成吊索上端的施工需求。設(shè)計加工了一個騎跨主纜的操作平臺進(jìn)行索夾復(fù)位、臨時吊索的索夾安裝拆卸、新舊吊索與上錨頭索夾的分離和安裝等工序。同步為該平臺配備升降吊籠（配置安全保險繩）以便人員上下，。操作平臺在主纜上的行走移動通過手拉葫蘆倒鏈完成。

操作平臺橫向?qū)?.25m，縱向長12.7m，高1.5m，總重約6t。主纜操作平臺主要為四個帶滾筒的吊籠，滾筒騎跨在主纜上為著力點(diǎn)，橫縱橋向分別通過鋼制桁架安全通道連接，其中橫橋向剛性連接確保吊籠不會側(cè)翻，縱橋向鉸接以適應(yīng)爬升過程中的角度變化。為保證平臺在主纜上移動的一致性和均勻性，采用四個手拉葫蘆進(jìn)行攀爬及固定[2]。

表1 上下游同位吊索索力差異統(tǒng)計表

2)主梁梁底的下操作平臺。主梁梁底需進(jìn)行臨時吊索在梁底的鋼構(gòu)件的安裝拆卸，吊索與下錨頭區(qū)域部件的分離和安裝，以及索力標(biāo)高調(diào)整等工序。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，充分利用懸索橋既有的梁底檢修車，通過加固完善可作為換索過程中梁底區(qū)域相關(guān)施工的作業(yè)平臺。

（2）索力轉(zhuǎn)換裝置。臨時吊索系統(tǒng)是吊索更換過程中索力轉(zhuǎn)換的重要裝置。索力轉(zhuǎn)換即通過臨時吊索代替舊吊索承擔(dān)橋面板的荷載，使舊吊索原索力得到釋放。

臨時吊索系統(tǒng)包括臨時索夾、上端懸吊索、上端連接梁、精軋螺紋鋼、下端連接梁、千斤頂、兜底梁和調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成。

3.2 吊索更換的過程控制

（1）臨時吊索系統(tǒng)安裝。對臨時吊索的安裝點(diǎn)位進(jìn)行放樣，對同一個伸縮縫處的混凝土橫梁，均由上下兩套臨時吊索底部的兜底型鋼環(huán)抱形成索力轉(zhuǎn)換的支點(diǎn)。當(dāng)混凝土橫梁被臨時吊索提起時，在橫梁上方相交的兩根相鄰的斜吊索將被釋放，其在橋面的交匯點(diǎn)垂直投影到正上方的主纜上，即是臨時索夾的安裝位置。

在主塔塔身中心線位置伸縮縫對應(yīng)的混凝土橫梁正上方無臨時索夾可以錨固利用的主纜，經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查，選擇直接利用塔身構(gòu)建橫橋向的型鋼支撐作為吊索精軋螺紋鋼的錨點(diǎn)以替代臨時索夾和上端連接梁。

臨時索夾定位后，拆除主纜表面纏絲，檢查主纜圓度是否規(guī)則，可填充鋼絲并包裹橡膠，保證充足的接觸面積以防止臨時索夾直接安裝后出現(xiàn)受力滑移的問題。2根直徑43mm的鋼絲繩（上端懸吊索）“騎跨”臨時索夾槽口內(nèi)，鋼絲繩兩端灌注冷鑄錨具，錨具與上端連接梁連接，利用螺母調(diào)節(jié)上端連接梁至水平。上端連接梁與下端連接梁通過兩根直徑32mm的精軋螺紋鋼連接，安裝時需注意連接器的安裝深度。一組精軋螺紋鋼之間需用繩子捆綁，可以有效消除偶然性的風(fēng)振現(xiàn)象。下端連接梁又與混凝土橫梁下部的兜底梁通過精軋螺紋鋼連接，同時在下端連接梁上安裝兩個50t液壓千斤頂用以提升兜底梁[3]。

（2）臨時吊索系統(tǒng)提升。逐級張拉液壓千斤頂，提升混凝土橫梁至舊吊索索力釋放。精軋螺紋鋼與上下連接梁等多個部件連接以后存在機(jī)械空隙，需要千斤頂在低級壓力下持荷一定時間將機(jī)械空隙的拉伸抵消，而后開始正常提升。提升過程中需要時刻觀察下連接梁是否水平。

橋面的提升需要上下游左右幅同步，但由于主纜松弛度不一，千斤頂行程速率不一，在提升過程中橋面兩側(cè)會存在一定高差，需要測量及時糾偏縮小差值。

（3）舊吊索切割，索夾復(fù)位。待舊吊索索力完全釋放后（用手可以搖晃），采用切割機(jī)拆除縱橋向相鄰兩對臨時吊索系統(tǒng)中間的待換舊吊索，并用卷揚(yáng)機(jī)緩慢下放至橋面。清理橋面板內(nèi)部預(yù)埋的索導(dǎo)管，同時將卸力后的舊索夾拆卸清理并復(fù)位。

（4）新吊索下料長度控制。新吊索在出廠時下錨頭已經(jīng)鑄造完成，而上錨頭的吊索的連接需在現(xiàn)場進(jìn)行。灌鑄前，施工現(xiàn)場需要對新吊索下料長度進(jìn)行確定。設(shè)計院已提供每根吊索的設(shè)計索力，已知吊索彈性模量和截面積，根據(jù)索夾復(fù)位后的空間坐標(biāo)，索導(dǎo)管和橋面板接觸點(diǎn)坐標(biāo)，上下錨頭長度，索導(dǎo)管長度以及主纜中心到索夾上絲口的長度，可得出吊索彈性部分在無應(yīng)力狀態(tài)下的長度，公式如下：

再考慮錨頭內(nèi)的索體灌鑄工藝長度后即可得出新吊索的現(xiàn)場下料長度。

（5）新吊索灌錨與安裝。先將半成品新吊索（下錨頭已灌注，上端開放）從梁底自下而上穿過橋面板內(nèi)部預(yù)埋的索導(dǎo)管引至橋面；再根據(jù)計算結(jié)果對吊索進(jìn)行切割下料，接著現(xiàn)場灌鑄上錨頭并做頂壓工藝。

主要工序包括①剝離PE 防護(hù)套—②清洗錨杯和鋼絲—③鋼絲穿過錨杯—④分絲板穿絲—⑤鐓頭器墩頭—⑥安裝密封定位夾具—⑦灌錨臺上錨杯預(yù)熱并灌鑄錨頭—⑧反頂壓實(shí)—⑨二次灌鑄反向密封—⑩熱縮保護(hù)套安裝。

將灌鑄完成后的新吊索通過卷揚(yáng)機(jī)和提升夾提升至主纜復(fù)位后的索夾附近，與修復(fù)后的索夾相連接，最后采用鍍鋅碳鋼緊定螺釘固定錨杯。

4.結(jié)語

莫桑比克SAVE河懸索橋已為所在國的南北交通服務(wù)了近50年，積累了大量病害，其中以吊索病害最為突出，是全橋加固維修的重點(diǎn)。在對懸索橋328根舊吊索的更換過程中，項目團(tuán)隊針對該橋三角式斜吊索體系，通過臨時吊索系統(tǒng)、主纜上施工平臺以及主梁操作平臺等工具裝置的運(yùn)用解決了索力轉(zhuǎn)換和吊索更換的頂?shù)锥耸┕ぷ鳂I(yè)空間問題；通過對新吊索的長度進(jìn)行現(xiàn)場精確測算與下料，嚴(yán)格控制上錨頭的現(xiàn)場灌鑄質(zhì)量，以及由粗到細(xì)分階段多次地對新吊索索力及橋面標(biāo)高的調(diào)整校正，最終使實(shí)際施工效果達(dá)到了設(shè)計預(yù)期。

此外本文還就中歐規(guī)范關(guān)于高強(qiáng)鋼絲檢測要求進(jìn)行了對比，對索夾螺栓的預(yù)緊力控制以及吊索索力的測試優(yōu)化進(jìn)行了闡述，為后續(xù)超齡懸索橋吊索更換施工提供了一些可借鑒的經(jīng)驗。