北方高寒地區(qū)大跨度橋梁斜拉索護(hù)套耐久性維護(hù)方案研究

張曉東

(遼寧新發(fā)展公路科技養(yǎng)護(hù)有限公司 沈陽市 110005)

1 工程概況

中朝鴨綠江界河公路大橋是我國連接朝鮮民主主義人民共和國(以下簡稱朝鮮) 的重要通道。如圖1所示,鴨綠江界河公路大橋橋孔布置為7×40m+6×40m+6×60m+86m+229m+636m+229m+86m+6×60m+6×40m+7×40m,橋梁全長 3026m(不含耳墻及側(cè)墻長度),主橋采用雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋,主跨636m,是目前北方高寒地區(qū)最大跨度。

圖1 主橋總體布置圖(單位:mm)

斜拉索采用強(qiáng)度為1670MPa平行鋅鋁合金鍍層鋼絲拉索,符合《斜拉橋用熱擠聚乙烯高強(qiáng)鋼絲拉索》(GB/T 18365—2001)的要求,扇形布置,梁上拉索錨固點(diǎn)橫向間距29.58m, 在主梁上的標(biāo)準(zhǔn)索距為16m,在索塔上豎向標(biāo)準(zhǔn)索距為2.5m、2.6m、2.8m、3.0m四種,第一對拉索至塔梁交叉點(diǎn)距離為21m,全橋共4×19對斜拉索152根,分別為PES7-121、PES7-151、PES7-199、PES7-223、PES7-253五種類型,最長索約350m,最短索約108m,單根索最大重量約30t。鋼絲束外纏繞保護(hù)帶,護(hù)套采用雙層,內(nèi)層為黑色高密度聚乙烯,外層為彩色高密度聚乙烯。鋼絲排列整齊密實(shí),同心絞合,最外層鋼絲絞合角3°±0.5°,左旋。扭絞后的裸索外加纏包帶,帶寬30～40mm,單層重疊寬度應(yīng)不小于帶寬的1/3,雙層纏包。纏包帶右旋。纏包帶采用高強(qiáng)度復(fù)合帶。在纏包帶的鋼絲束外擠包高密度聚乙烯護(hù)套兩層(黑色和彩色),雙層護(hù)套一次成型,成型后的拉索表面光滑平整,護(hù)套厚度偏差+1mm。

2 PE護(hù)套病害統(tǒng)計(jì)

本次維修的中方側(cè)共計(jì)76 根斜拉索,每根斜拉索均存在缺陷,共1825處,主要缺陷有PE護(hù)套劃痕、PE護(hù)套破損、螺旋線缺失、螺旋線壓扁四類。其中PE 護(hù)套破損缺陷會導(dǎo)致拉索滲水銹蝕,螺旋線缺失壓扁會導(dǎo)致拉索風(fēng)雨振改變拉索的自振頻率,拉索索力重分布,使主梁線形、受力發(fā)生變化。

3 PE護(hù)套病害成因

(1)施工原因:斜拉索施工涉及的工序較為繁雜,具體有運(yùn)輸、存放、卷盤、展開、拖索、吊裝、牽引、錨固、張拉及調(diào)整等,而斜拉索的PE護(hù)套保護(hù)層為柔性聚合物,在運(yùn)輸、掛索、張拉等施工過程中,斜拉索會不可避免地受到不同程度的損傷。

(2)溫度的影響:遼寧地處東北地區(qū),常年氣溫較低,橋址處年平均氣溫10℃,極端最低氣溫-30℃,極端最高氣溫約35℃,年冰凍期超過150天,由于這些極端天氣的影響,組成拉索材料的鋼材、PE護(hù)套,不能同步伸縮,導(dǎo)致拉索的護(hù)套出現(xiàn)微裂縫,在外界環(huán)境因素的侵蝕下,加速了拉索的老化與損壞。

(3)養(yǎng)護(hù)原因:由于斜拉索攀爬困難,日常檢查和養(yǎng)護(hù)維修無法實(shí)施,對斜拉索病害無法提前預(yù)防,對已經(jīng)出現(xiàn)的病害也無法及時進(jìn)行維修處理,導(dǎo)致病害的發(fā)生和發(fā)展。

(4)活載的影響:由于車輛、風(fēng)、雨等活載的作用,拉索應(yīng)力變化大,索梁振動加劇,拉索伸長量也發(fā)生往復(fù)性的變化,這種往復(fù)性變化將使得PE護(hù)套材料出現(xiàn)疲勞、開裂,破壞防護(hù)系統(tǒng)的整體性。

4 拉索PE護(hù)套修復(fù)處治原則

本設(shè)計(jì)項(xiàng)目僅針對橋梁檢測時存在的斜拉索 PE 護(hù)套表觀缺陷進(jìn)行耐久性維護(hù), 阻止缺陷進(jìn)一步發(fā)展對構(gòu)件造成損傷,除特殊說明外,不對橋梁結(jié)構(gòu)或構(gòu)件進(jìn)行加固,不提高原結(jié)構(gòu)或構(gòu)件承載能力。

一般耐久性缺陷維護(hù)處治原則: 對于不影響結(jié)構(gòu)承載力的缺陷,考慮進(jìn)行結(jié)構(gòu)耐久性維護(hù),阻止缺陷繼續(xù)發(fā)展,提高結(jié)構(gòu)或構(gòu)件使用年限。

(1)斜拉索 PE 護(hù)套破損、劃痕: 對 PE 護(hù)套破損缺陷采用熱熔機(jī)熱熔 PE 顆粒技術(shù)進(jìn)行修補(bǔ)。修補(bǔ)之前需要對原表層采用打磨機(jī)打磨,去除原有污漬,褶皺。修補(bǔ)時由于采用固定的修補(bǔ)模具,每 1 處維護(hù),模具的修補(bǔ)面積為 0.25 m2。

(2)斜拉索 PE 護(hù)套螺旋線壓扁: 對螺旋線壓扁缺失缺陷采用熱熔機(jī)烘槍加熱PE 焊條,熱熔連接 PE 管,修復(fù)螺旋線 技術(shù)進(jìn)行修補(bǔ)。修復(fù)螺旋線之前需將原壓扁螺旋線進(jìn)行切除,保證切除后表面與原 PE 護(hù)套表層平齊后重新進(jìn)行熱熔焊接。 為保證焊接效果,每處缺陷焊接長度保證兩端搭接長度均應(yīng)不少于20cm。

5 施工行走掛籃設(shè)計(jì)

(1)如圖2所示,本橋工裝由左右兩個掛籃、一套斜拉索行走機(jī)構(gòu)、上、下滑輪組、獨(dú)立控制的電控箱、掛籃框體、兩臺提升機(jī)及兩套安全鎖等組成。每組上、下滑輪組采用螺栓連接的方式安裝在斜拉索上,滑輪采用耐磨高強(qiáng)聚氨酯材料加工而成,掛籃各部件均采用螺栓連接的方式。左右掛籃在工作狀態(tài)下,必須保持重量大致平衡,施工人員在掛籃上通過對講機(jī)自主控制掛籃的同步上升和下降,以便到達(dá)需要維護(hù)的部位。

圖2 斜拉索維護(hù)施工行走掛籃示意圖

(2)如圖3、圖4所示,每個工作面由2副掛籃協(xié)同工作,其中行走掛籃作為主施工平臺,沿著斜拉索索體上下爬行,施工人員在掛籃中進(jìn)行斜拉索檢查、修補(bǔ)及PVF纏包膠帶,垂直掛籃主要作為更換上部導(dǎo)向滑輪點(diǎn)的施工平臺。

圖3 施工行走掛籃設(shè)計(jì)圖

圖4 斜拉索維護(hù)施工現(xiàn)場

(3)卷揚(yáng)機(jī)設(shè)置

工作面由1臺5t卷揚(yáng)機(jī)作為掛籃行走牽引動力,主要牽引掛籃沿著斜拉索索體上下爬行。卷揚(yáng)機(jī)安裝位置在工作區(qū)索塔底端橋面人行道上,施工時同業(yè)主溝通協(xié)商,臨時拆除少量外護(hù)欄,并做好臨邊防護(hù)(待施工完后對外護(hù)欄焊接恢復(fù)原樣),故將卷揚(yáng)機(jī)一側(cè)焊接在內(nèi)護(hù)欄型鋼上并進(jìn)行加肋,確保焊接質(zhì)量,卷揚(yáng)機(jī)另一側(cè)在人行道側(cè)部和頂面種植Φ16mm螺栓,螺母固定2cm厚鋼板,焊接型鋼及卷揚(yáng)機(jī)底座。在卷揚(yáng)機(jī)前后端設(shè)置焊接錨點(diǎn),用鋼絲繩從墩孔中穿入至封嘴內(nèi)部進(jìn)行錨固。卷揚(yáng)機(jī)進(jìn)場進(jìn)行檢查保養(yǎng),全面檢查卷揚(yáng)機(jī)鋼絲繩,如有斷絲現(xiàn)象,對鋼絲繩進(jìn)行更換處理。卷揚(yáng)機(jī)使用前先試運(yùn)行,重點(diǎn)檢查卷揚(yáng)機(jī)剎車情況。主牽引卷揚(yáng)機(jī)主要是牽引掛籃沿著斜拉索索體上下爬行,副卷揚(yáng)機(jī)用于垂直提升掛籃的上下提升。

(4)設(shè)置塔端導(dǎo)向裝置

斜拉索檢查維修施工中,卷揚(yáng)機(jī)或掛籃需要設(shè)置施工錨點(diǎn)作為受力點(diǎn)。掛籃的錨固點(diǎn)是固定的,卷揚(yáng)機(jī)鋼絲繩通過固定錨固點(diǎn)后連接掛籃,卷揚(yáng)機(jī)啟動后控制掛籃上下移動。施工人員通過塔內(nèi)爬梯上至塔頂,在過程中對索塔內(nèi)側(cè)爬梯進(jìn)行檢查修補(bǔ),確保爬梯安全,索塔下橫梁至塔底為踏步轉(zhuǎn)向梯,下橫梁至塔頂為豎直爬梯。

在塔頂人孔處中部安裝固定錨點(diǎn)。錨固點(diǎn)采用雙拼工16進(jìn)行制作安裝。采用兩根雙拼工字鋼作為主要受力點(diǎn),左右兩側(cè)采用[14槽鋼進(jìn)行限位,采用單邊種植2個M16的8.8級高強(qiáng)錨栓進(jìn)行固定,各部位進(jìn)行滿焊接,滿足焊縫要求。在塔頂混凝土護(hù)欄頂端安裝鋼絲繩防損裝置,確保鋼絲繩在受力過程中不受傷,不脫槽,防損防脫裝置采用兩根[12型鋼、角鋼及滑輪進(jìn)行制作安裝,種植M18膨脹螺栓及焊接原預(yù)埋件鋼板進(jìn)行固定限位,并采用一根特制的安全繩作為保險繩。塔頂施工人員在塔頂端安裝牽引裝置,采用麻繩將牽引鋼絲繩拉至塔頂,利用牽引裝置將Ф16mm鋼絲繩放置梁底,將檢修吊籃主牽引繩(Ф16mm鋼絲繩)牽引至塔頂。

(5)設(shè)置塔底端導(dǎo)向滑輪

在索塔底端設(shè)置1個10t導(dǎo)向滑輪,導(dǎo)向滑輪固定方式采用在索塔底部鋼箱梁上方焊接工14工字鋼作為預(yù)埋件或種植6個M18膨脹螺栓固定型鋼作為導(dǎo)向滑輪裝置。

(6)掛籃布置

掛籃以自動提升機(jī)為動力沿著索垂直方向上下移動,通過卷揚(yáng)機(jī)和自動提升機(jī)的共同作業(yè),自動提升機(jī)帶自動鎖死系統(tǒng),剎車失靈時自動鎖死。掛籃到達(dá)被施工斜拉索,施工人員可以順利完成斜拉索的維修工作,施工掛籃過程中,不以被施斜拉索作為支點(diǎn),保證斜拉索維修施工有足夠的操作空間。

(7)施工行走掛籃

每副掛籃內(nèi)布置2名施工人員,橋面2名工作人員,塔頂2名觀察人員,掛籃利用定制高強(qiáng)聚氨酯輪沿著索體行走,為避免掛籃施工期間在索體表面的滾動損傷,掛籃將采用柔性材料制作走輪。由于施工期間高空風(fēng)荷會過大,故掛籃側(cè)面護(hù)欄采用輕質(zhì)方鋼進(jìn)行制作,并鋪掛設(shè)安全網(wǎng)及警示牌,掛籃底部采用2mm花紋鋼板覆蓋,以避免高空墜物。

6 維修工具

使用的工具有細(xì)木銼、鉗子、螺絲刀,塑料焊接用熱風(fēng)塑焊槍、電烙鐵、焊槍功率在300w以上,熱熔夾具、電子溫度調(diào)節(jié)器、溫度計(jì)(量程為300℃)、角磨機(jī)、樹脂磨片、美工刀、220V電源等。

7 維修材料

(1)斜拉索護(hù)套維修材料采用高密度聚乙烯加熱融化后需與原設(shè)計(jì) PE護(hù)套相配套。聚乙烯材料化學(xué)性質(zhì)需穩(wěn)定,在斜拉索可預(yù)計(jì)的暴露溫度和使用壽命下不會有老化和軟化現(xiàn)象;材料與鋼絲的粘著力應(yīng)使保護(hù)層與鋼絲不產(chǎn)生相對運(yùn)動;同時要確保高密度聚乙烯保護(hù)層 100% 防水,有色高密度聚乙烯有抵抗紫外線降解能力。修補(bǔ)用材料同其主要性能滿足《斜拉橋熱擠聚乙烯高強(qiáng)度鋼絲拉索技術(shù)條件》(GB/T 18365)以及《無粘結(jié)鋼絞線斜拉索技術(shù)條件》(JT/T 771)的要求。

(2)PE 螺旋線焊條需與原設(shè)計(jì)螺旋線相配套。該材料需有抵御各種不良?xì)夂虻哪芰?至少應(yīng)含有不少于 2%碳黑。

8 維修工藝

(1)根據(jù)施工月份天氣情況同時考慮到牽引鋼絲繩會下?lián)?掛籃高空行走過程中,斜拉索維修順序從最外側(cè)向內(nèi)側(cè)進(jìn)行施工,從而在一定程度上避免了斜拉索維修完成后因施工原因?qū)σ丫S護(hù)的斜拉索PE及PVF纏包膠帶表面觸碰磨擦造成損傷。表面 PE 輕微劃傷可直接進(jìn)行打磨處理。

(2)深度損傷

對于斜拉索PE護(hù)套表面小面積局部的劃傷,用美工刀修整缺陷部位,并剖割成坡形,將相同的PE原料放在修補(bǔ)區(qū)上,覆蓋破損處,用鉗子或螺絲刀固定好,然后用熱風(fēng)塑料焊槍連續(xù)焊好,再用角磨機(jī)進(jìn)行表面打磨處理,使損壞處恢復(fù)原有的保護(hù)厚度,并使斜拉索表面基本恢復(fù)原有的平整狀態(tài)。施工過程注意塑料焊槍熱風(fēng)溫度不要太高(180℃左右),以免修補(bǔ)處燒焦。

對于比較深、范圍較大的開裂露鋼絲,修復(fù)面積大于10cm2的損傷處,采用加熱套管進(jìn)行護(hù)套修復(fù)[1],要求補(bǔ)丁方正規(guī)則、美觀,修復(fù)工藝相對復(fù)雜,修復(fù)人需要具備較高的技術(shù)水平。

9 結(jié)語

以中朝鴨綠江界河公路大橋?yàn)楣こ瘫尘?建立了北方高寒地區(qū)大跨度橋梁斜拉索護(hù)套耐久性維護(hù)工藝體系,采用行走掛籃方式,結(jié)果表明該方法滿足施工規(guī)范要求,為斜拉索護(hù)套維修工作提供參考。