陳 偉， 胡大新

(1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043;2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，北京 100081)

0 引言

斜拉橋作為一種重要的橋型，在200～800m的跨度范圍內(nèi)具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)能力。1956年，瑞典建成第一座現(xiàn)代化斜拉橋，至今已有50多年的歷史。到目前為止，世界各國(guó)修建了400座左右的斜拉橋，我國(guó)占100座以上，斜拉橋已成為大江大河首選的比較方案橋型。而這種橋型的主要組成部分中，斜拉索的作用相當(dāng)重要。

在全世界修建的400座左右的斜拉橋中，由于斜拉索病害的影響，使得部分早期修建的斜拉橋結(jié)構(gòu)損壞非常嚴(yán)重。早期修建的斜拉橋普遍存在拉索防護(hù)層過早失效、使用壽命縮短的問題。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，20世紀(jì)70至90年代初，我國(guó)修建的30余座斜拉橋中，有35%的斜拉橋因斜拉索銹蝕原因已全部或部分更換了斜拉索，在2005年附近的幾年內(nèi)進(jìn)行了10余座20世紀(jì)90年代后修建的斜拉橋的換索。這充分表明傳統(tǒng)斜拉橋中拉索的選型和設(shè)計(jì)理念導(dǎo)致現(xiàn)有斜拉橋使用性能差、使用壽命短，全壽命經(jīng)濟(jì)指標(biāo)差等問題，給后期的運(yùn)營(yíng)維護(hù)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，也增加了社會(huì)的負(fù)擔(dān)。因此如何從全壽命設(shè)計(jì)理念角度出發(fā)開展斜拉橋拉索的選型和設(shè)計(jì)成為一個(gè)比較重要的研究課題［1］。

斜拉索作為一種承受拉力的構(gòu)件，其體系隨材料(包括鋼材及防護(hù)材料)和錨固技術(shù)的發(fā)展也經(jīng)歷了幾個(gè)階段。斜拉索的主要形式包括:由多根鋼絲絞成的纜索或鋼絲互扣絞成的纜繩、平行高強(qiáng)鋼筋、直徑為7mm平行預(yù)應(yīng)力鋼絲，或是由7根鋼絲絞成直徑為15mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線。目前在斜拉索選擇時(shí)主要采用平行預(yù)應(yīng)力鋼絲拉索和鋼絞線拉索兩種主要的體系。

橋梁全壽命設(shè)計(jì)理論是指在橋梁設(shè)計(jì)中，針對(duì)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)、管養(yǎng)、拆除或回收再利用的全過程，實(shí)現(xiàn)橋梁全壽命周期內(nèi)總體性能(功能、成本、人文、環(huán)境等)最優(yōu)的設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)橋梁設(shè)計(jì)相比，橋梁全壽命設(shè)計(jì)在開展傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)工作的同時(shí)，將橋梁設(shè)計(jì)范圍從建設(shè)期拓展到整個(gè)壽命周期，增加了傳統(tǒng)橋梁設(shè)計(jì)中未考慮的設(shè)計(jì)內(nèi)容，具體包括:耐久性設(shè)計(jì)、管養(yǎng)設(shè)計(jì)、拆除、回收再利用設(shè)計(jì)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及保險(xiǎn)策略和全壽命周期成本分析等。

本文在全壽命設(shè)計(jì)理論的框架下，分析拉索體系特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)全壽命設(shè)計(jì)的方法，對(duì)拉索體系的選擇進(jìn)行研究分析，為斜拉橋中拉索的選擇提供依據(jù)。

1 拉索體系特點(diǎn)

如前所述，在斜拉橋的發(fā)展過程中，出現(xiàn)過不同的拉索形式，但隨著技術(shù)的發(fā)展，目前常用的體系一般為兩種:平行預(yù)應(yīng)力鋼絲拉索和鋼絞線拉索。斜拉索構(gòu)件的主要組成部分包括:錨固體系、索體、防腐系統(tǒng)。下面結(jié)合拉索的組成，分別介紹兩類拉索體系的特點(diǎn)。

1.1 平行預(yù)應(yīng)力鋼絲拉索體系

1.1.1 平行預(yù)應(yīng)力鋼絲拉索組成

平行預(yù)應(yīng)力鋼絲拉索體系的索體材料是高強(qiáng)度鋼絲成束，其直徑一般為7mm，鋼絲數(shù)量可根據(jù)索力的大小選擇;錨固體系在兩端用冷鑄錨結(jié)構(gòu)組件錨固(或用熱鑄錨組件錨固);防護(hù)采用鋼絲表層鍍鋅，鋼絲束外面繞包帶，然后是HDPE護(hù)套。具體結(jié)構(gòu)見圖1。

1.1.2 平行鋼絲拉索制作和施工流程

鋼絲定長(zhǎng)下料→編索→扭角繞包(2°～4°)→熱擠HDPE→定長(zhǎng)截?cái)唷b錨頭及鐓頭→灌注環(huán)氧鐵砂→固化→超張拉→上盤運(yùn)輸至工地→吊裝橋面放索→軟、硬牽引入塔口→張拉及調(diào)整索力。

平行鋼絲拉索中，鋼絲與HPDE熱熔粘結(jié)，鋼絲受力時(shí)可傳遞給HDPE，HDPE在受力狀態(tài)下易開裂;鍍鋅層易在運(yùn)輸及制索時(shí)損壞，鍍鋅層和基體金屬中的晶格滲氫，造成晶格扭曲，內(nèi)應(yīng)力增大，產(chǎn)生氫脆;鍍鋅層受損時(shí)，極易發(fā)生電極反應(yīng)，鍍鋅層的腐蝕加速。鍍鋅后鋼絲強(qiáng)度降低約5%，疲勞性能降低約18%。由于鋼絲成品索鋼絲相互扭角擠壓，鋼絲間易產(chǎn)生微動(dòng)摩擦，會(huì)降低疲勞性能;疲勞應(yīng)力上限荷載0.4fb，應(yīng)力幅200mPa。這種拉索在實(shí)際應(yīng)用中，出現(xiàn)了不少病害，導(dǎo)致許多斜拉橋在建成10 a左右就進(jìn)行了換索，付出了高昂的代價(jià)。

1.2 鋼絞線拉索體系

1.2.1 鋼絞線拉索組成

鋼絞線拉索的索體材料是高強(qiáng)度鋼絞線，一般由7根直徑為5mm的高強(qiáng)鋼絲絞成一束，然后再由多束組成一根拉索。錨固系統(tǒng)采用專用夾片群錨組件錨固;防護(hù)系統(tǒng)采用三重防護(hù):單根環(huán)氧涂層、單根涂油脂及熱擠HDPE，灌注防護(hù)油脂或環(huán)氧砂漿，安裝HDPE護(hù)管。具體結(jié)構(gòu)見圖2(圖中未示防護(hù)系統(tǒng))。

圖1 平行鋼絲拉索體系構(gòu)造

圖2 鋼絞線斜拉索體系構(gòu)造

1.2.2 鋼絞線斜拉索制作及安裝流程

光面鋼絞線→單根環(huán)氧涂層→單根涂油脂及熱擠HDPE→上盤運(yùn)輸至工地→連續(xù)單根放索后穿索同時(shí)安裝HDPE護(hù)管→單根鋼絞線張拉→鋼絞線拉索整體張拉及調(diào)索→灌注防護(hù)油脂或環(huán)氧砂漿。

鋼絞線拉索中鋼絞線之間互相不接觸，有很高的抗疲勞性，疲勞應(yīng)力上限荷載0.45fb，應(yīng)力幅250mPa;安裝簡(jiǎn)單，容易更換;從加工廠到工地施工全過程能得到很好地保護(hù);任何時(shí)候可以逐束檢查、調(diào)整索力;這些特點(diǎn)符合橋梁全壽命設(shè)計(jì)理論的要求，決定了其具有廣泛的應(yīng)用前景。

2 基于全壽命設(shè)計(jì)理論的拉索體系選擇

目前橋梁設(shè)計(jì)方法中，全壽命設(shè)計(jì)理論受到越來越多的重視。橋梁全壽命設(shè)計(jì)是針對(duì)橋梁整個(gè)生命周期而言的，也稱為“橋梁生命周期設(shè)計(jì)”，不同于傳統(tǒng)的僅考慮橋梁成橋狀態(tài)的橋梁設(shè)計(jì)方法，它考慮橋梁的所有方面，從設(shè)計(jì)、施工和使用期管理，一直到拆除和材料的回收。因此，橋梁全壽命設(shè)計(jì)可簡(jiǎn)單定義為:從橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、管理、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的各個(gè)環(huán)節(jié)來尋求恰當(dāng)方法和措施來滿足橋梁結(jié)構(gòu)全壽命周期的總體性能最優(yōu)(經(jīng)濟(jì)性、人文、生態(tài)等)的設(shè)計(jì)理念和方法［2］。

全壽命成本是確定橋梁從建成到其壽命期結(jié)束的總費(fèi)用(即Life Cycle Cost，簡(jiǎn)寫成LCC)，進(jìn)行全壽命成本分析的方法就是全壽命經(jīng)濟(jì)性分析(LCCA)法，在假定不同橋梁設(shè)計(jì)方案得到相同利潤(rùn)的情況下，可以用來選擇成本最優(yōu)的方案，是進(jìn)行橋梁不同設(shè)計(jì)方案比較和選擇的有效工具。執(zhí)行LCCA法，要求一個(gè)工程立項(xiàng)時(shí)必須對(duì)其投入資金及其合理性進(jìn)行評(píng)估。全部投資資金應(yīng)包括初始投資和進(jìn)一步投資兩部分組成:第一部分是指建設(shè)時(shí)的設(shè)計(jì)、施工相關(guān)費(fèi)用;第二部分包括保證達(dá)到壽命期所必須的進(jìn)一步費(fèi)用(如修復(fù)費(fèi)等)。下面基于全壽命設(shè)計(jì)理論，從兩類拉索的強(qiáng)度、疲勞性能、抗震性能、錨固構(gòu)造、掛索施工、換索工藝、防護(hù)材料、使用壽命和后期維護(hù)更換費(fèi)用等角度探討斜拉橋主要受力構(gòu)件拉索體系的選擇。

2.1 平行鋼絲拉索和鋼絞線兩類拉索相關(guān)性能比較

為了合理的做出拉索的選擇，首先從平行鋼絲拉索和鋼絞線拉索的構(gòu)造特點(diǎn)，包括鋼材強(qiáng)度、拉索用量、疲勞性能、抗震特性、錨固體系和使用壽命等方面進(jìn)行比較。從材料強(qiáng)度來看，平行鋼絲斜拉索鋼絲的強(qiáng)度達(dá)到1 670mPa，而鋼絞線斜拉索鋼絲的強(qiáng)度為1 860mPa，這導(dǎo)致在拉索重量上，鋼絞線斜拉索節(jié)約約8%，直接導(dǎo)致造價(jià)的降低。在疲勞性能方面，平行鋼絲斜拉索的鋼絲鍍鋅后強(qiáng)度降低約5%，疲勞性能降低約18%，且由于鋼絲成品索鋼絲相互扭角擠壓，鋼絲間易產(chǎn)生微動(dòng)摩擦，會(huì)降低疲勞性能。疲勞應(yīng)力上限荷載0.4fb，應(yīng)力幅200mPa;鋼絞線斜拉索疲勞性能與鋼絞線相同疲勞應(yīng)力上限荷載0.45fb，應(yīng)力幅250mPa。在抗震性能上，平行鋼絲拉索鋼絲拉索結(jié)構(gòu)為整體粘結(jié)，抗震性能較差，但鋼絲拉索直徑小，抗震性能較好;鋼絞線拉索單根隔離，提高震動(dòng)時(shí)內(nèi)部阻尼系數(shù)，但鋼絞線拉索直徑較大，抗震性能較差，比較看來兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)。在錨固體系上，平行鋼絲拉索采用冷鑄錨結(jié)構(gòu)組件錨固或熱鑄錨組件錨固;鋼絞線拉索則采用專用夾片群錨組件錨固。在使用壽命上，平行鋼絲拉索預(yù)計(jì)為30 a，但不少斜拉橋10 a不到已換索，病害多;鋼絞線斜拉索預(yù)計(jì)壽命為50 a，到目前為止，還無換索先例。從以上對(duì)比可以看出，鋼絞線拉索具有較大的優(yōu)勢(shì)。

全壽命設(shè)計(jì)方法特別強(qiáng)調(diào)構(gòu)件的耐久性設(shè)計(jì)，對(duì)斜拉索來說，其耐久性與防護(hù)體系密切相關(guān)。下面從平行鋼絲拉索和鋼絞線拉索防護(hù)體系采用的材料、結(jié)構(gòu)及防護(hù)體系的特點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比，看看兩者的區(qū)別。在防護(hù)材料上，平行鋼絲斜拉索采用鍍鋅，繞包帶，HDPE層套管，鋼絲與HPDE套管熱熔粘結(jié)，鋼絲受力時(shí)可傳遞給HDPE套管，HDPE套管在受力狀態(tài)下易開裂;鍍鋅層易在運(yùn)輸及制索時(shí)損壞，鍍鋅層和基體金屬中的晶格滲氫，造成晶格扭曲，內(nèi)應(yīng)力增大，產(chǎn)生氫脆;鍍鋅層受損時(shí)，極易發(fā)生電極反應(yīng)，鍍鋅層的腐蝕加速;鋼絞線拉索防護(hù)體系防護(hù)材料采用環(huán)氧涂層，油脂，單根HDPE套管，HDPE總護(hù)套。HDPE護(hù)套不受鋼絞線傳遞力的影響，不易開裂;環(huán)氧凃?qū)釉谶\(yùn)輸及制索過程不易損壞，且有機(jī)環(huán)氧涂層耐蝕能力極強(qiáng)?？梢钥闯?，鋼絞線拉索防護(hù)體系的耐久性優(yōu)于平行鋼絲拉索，從而保證了鋼絞線拉索具有較長(zhǎng)的使用年限。

全壽命設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的不同之一在于對(duì)運(yùn)營(yíng)期更換施工過程的關(guān)注，它把施工過程、運(yùn)營(yíng)維修、養(yǎng)護(hù)和設(shè)計(jì)看得同等重要。下面對(duì)兩種拉索體系在施工過程中的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比。從施工時(shí)掛索周期上比較，平行鋼絲斜拉索整體一次掛索，周期短，但需大型起重設(shè)備，在掛索時(shí)為保護(hù)護(hù)套，需采用較大的軟牽引力和拉桿牽引力工藝;鋼絞線斜拉索則單根鋼絞線掛索，不需大型起重及牽引設(shè)備。從張拉力控制上，平行鋼絲斜拉索整個(gè)索體一起張拉，各絲受力均勻;鋼絞線斜拉索則以鋼絞線為單位進(jìn)行張拉，受力易不均。從拉索長(zhǎng)度控制上，平行鋼絲斜拉索定長(zhǎng)制索，長(zhǎng)度誤差必須控制在2‰以內(nèi)，由于螺紋調(diào)節(jié)長(zhǎng)度較短，不利于調(diào)節(jié)制索長(zhǎng)度誤差和施工定位誤差，不利于調(diào)節(jié)數(shù)年后產(chǎn)生的索的撓度調(diào)整;鋼絞線拉索對(duì)下料長(zhǎng)度要求不高，易于后期的索的撓度調(diào)整。在運(yùn)輸儲(chǔ)存上，平行鋼絲斜拉索需大型運(yùn)輸工具，儲(chǔ)存占地面積大;鋼絞線拉索則不存在這些問題。在施工過程的防護(hù)問題上，平行鋼絲斜拉索要求較高，HDPE套管易受損;鋼絞線斜拉索則在施工過程中對(duì)防護(hù)要求不高。在換索時(shí)，平行鋼絲斜拉索必須整個(gè)索體更換，費(fèi)用高，為保證安全，一般要封閉交通;而鋼絞線斜拉索可單根鋼絞線更換，費(fèi)用相對(duì)低，可不封閉交通?？梢钥闯?，鋼絞線拉索比鋼絲拉索具有施工方便、不需大型起重設(shè)備、長(zhǎng)度控制容易、換索簡(jiǎn)單方便、運(yùn)輸儲(chǔ)存要求低、施工防護(hù)要求少等優(yōu)點(diǎn)，其唯一不足是在保證每束鋼絞線受力均勻上有一定難度，受力易不均。

2.2 拉索后期維護(hù)及更換費(fèi)用分析

在傳統(tǒng)的斜拉橋設(shè)計(jì)、施工、使用過程中，盡管設(shè)計(jì)、施工、使用者對(duì)斜拉橋的關(guān)鍵部位如斜拉索采取了各種防腐、減隔振措施，但由于方法、工藝、材料、構(gòu)造細(xì)節(jié)等不合理，使得斜拉索腐蝕退化和振動(dòng)疲勞衰減已經(jīng)成為制約斜拉橋使用壽命的關(guān)鍵因素。如著名的MaraCaibo橋及Kohlbrand Estuary橋，前者在使用16 a時(shí)換索，耗資5 000萬(wàn)美元，換索工期達(dá)2 a，后者在運(yùn)營(yíng)3 a就更換全部拉索，耗資600萬(wàn)美元，為原造價(jià)的4倍。國(guó)內(nèi)的廣州海印大橋?yàn)橹锌?75m的3跨雙塔單索面預(yù)應(yīng)力砼斜拉橋，1988年12月建成通車，拉索由258根Φ5mm鍍鋅鋼絲組成，PE套管防護(hù)，其間壓注了水泥漿，套管外再纏包環(huán)氧樹脂采用玻璃鋼外殼層，由于防護(hù)出現(xiàn)問題，1995年5月出現(xiàn)拉索斷落和松馳，之后，對(duì)186根拉索全部更換，換索耗資2 000萬(wàn)元，工期半年［3］。

從這些數(shù)據(jù)可以看出，采用不同的拉索體系，必然帶來不同的養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用，從而使生命周期造價(jià)有較大的不同。根據(jù)平行鋼絲拉索及鋼絞線拉索的預(yù)計(jì)設(shè)計(jì)生命周期，以全橋100 a的設(shè)計(jì)周期，平行鋼絲拉索體系需換索2～3次，而鋼絞線拉索僅需一次，采用鋼絞線拉索可大大降低斜拉橋的生命周期造價(jià)。故在斜拉橋的設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，盡量選擇鋼絞線拉索體系。

鋼絞線拉索體系在美國(guó)已得到較普遍地使用，在歐洲、亞洲、澳大利亞的相關(guān)國(guó)家兩種拉索體系均在應(yīng)用。美國(guó)已不推薦使用鍍鋅鋼絲作斜拉索體系。我國(guó)20世紀(jì)八九十年代以平行鋼絲拉索為主，90年代末及2000年后鋼絞線拉索已得到推廣應(yīng)用。但不少采用鋼絲拉索體系的斜拉橋和拱橋(吊桿采用與斜拉索類似的結(jié)構(gòu))，近年來因拉索防護(hù)體系的損壞而不得不進(jìn)行換索或換吊桿。如廣州海印大橋、四川犍為岷江公路橋、濟(jì)南黃河公路橋、上海恒豐路立交橋、重慶石門橋、上虞斜拉橋、宜賓小南門拱橋等。還有部分斜拉橋、拱橋都還處于帶病工作狀態(tài)(如珠海淇澳大橋、南寧三橋等)。換索直接費(fèi)用均在1 000萬(wàn)元以上，因封閉交通引起的間接損失還不在其內(nèi)。因此選擇性能優(yōu)越的拉索和建立有效的施工控制和維護(hù)是斜拉橋生命的有效保證［4］。

3 結(jié)語(yǔ)

基于橋梁全壽命設(shè)計(jì)理論，對(duì)斜拉橋主要受力構(gòu)件之一的斜拉索選擇進(jìn)行了探討，從拉索的力學(xué)特點(diǎn)、防護(hù)構(gòu)造、更換工藝以及后期維護(hù)費(fèi)用等角度比較了兩類典型斜拉索的特點(diǎn)，分析表明，從全壽命周期成本看，在綜合考慮拉索強(qiáng)度、疲勞、腐蝕、施工及后期維護(hù)等方面的要求，鋼絞線拉索體系具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。建議在我國(guó)斜拉橋的設(shè)計(jì)中采用。從而達(dá)到橋梁的生命周期造價(jià)最低，這既是保證橋梁安全的需要，也是人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的需要。

［1］吳海軍，陳艾榮.橋梁耐久性設(shè)計(jì)方法研究［J］.中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2004，17(3):57-67.

［2］Sarja A.Integrated life cycle design of structures［M］.Spon:London and New York，2002:1-137.

［3］朱戰(zhàn)良.廣東九江大橋換索技術(shù)［J］.中外公路，2003，5:20-24.

［4］代璞，唐繼舜，謝海清.犍為岷江大橋換索工程［J］.四川建筑，2005，2:120-122.