田　波, 梁　健

(四川省交通運輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院， 四川成都 610041)

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涪陵長江大橋換索設(shè)計

田波, 梁健

(四川省交通運輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院， 四川成都 610041)

【摘要】重慶市涪陵長江大橋，主跨采用330的雙塔雙索面橋。大橋建成通車已15年，全橋的斜拉索病害問題較為突出，對大橋的安全性造成了嚴(yán)重影響。為保證大橋結(jié)構(gòu)和運營安全，提高橋梁的耐久性能，對全橋斜拉索進(jìn)行了更換。文中主要介紹該橋換索涉及的相關(guān)設(shè)計內(nèi)容及其技術(shù)特點。

【關(guān)鍵詞】斜拉橋；換索；設(shè)計

1工程概況

重慶市涪陵長江大橋于1994年11月動工興建，1997年5月正式通車運營。橋梁全長652.17 m，共4跨，跨徑組合20 m北岸引橋+(149+330+149) m主橋；橋面凈寬18 m(凈15 m+2×1.5 m人行道)。主橋為5跨雙塔雙索面斜拉橋，采用塔梁分離式懸浮體系(圖1)。斜拉索采用高強(qiáng)低松弛φ7鍍鋅鋼絲，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 600 MPa，共8種規(guī)格。斜拉索均采用鋼絲現(xiàn)場制作，熱擠PE防護(hù)，冷鑄墩頭錨。

圖1　主橋總體布置

2主橋狀態(tài)

2.1橋梁結(jié)構(gòu)線形

主塔變位：主塔塔頂間距從1997年竣工至2009年累計變化量為4.7 cm，向河側(cè)傾斜。

主梁撓度：竣工時，主梁跨中設(shè)置了0.33 m的預(yù)拱度。從1997年通車至2009年，跨中累計下?lián)狭?.36 m,其中1997年～2003年累計下?lián)狭?.32 m,從2003年～2009年累計下?lián)狭?.04 m。

可以判定索塔、主梁由于收縮、徐變產(chǎn)生的變位及下?lián)弦鸦就瓿桑壳爸髁簶?biāo)高已基本穩(wěn)定。

2.2拉索索力

2009年索力實測值與1997年成橋測試值相比，偏差范圍在-22.3 %～33.5 %之間:有5根索的索力測試值偏差超過±8 %，占總數(shù)的2.36 %；有17根索的索力測試值偏差超過±5 %，占總數(shù)的8.02 %；其余索的索力值偏差在±5 %以內(nèi)，占總數(shù)的89.6 %。

與1997年成橋相比，整體索力值的變化不很明顯，索力變化主要由于混凝土結(jié)構(gòu)收縮徐變造成，屬于正?，F(xiàn)象。但長壽側(cè)中跨上游6號和7號索力，涪陵側(cè)邊跨上游17號、18號、20號索力均超出1997年成橋測試索力值±10 %以上，最大值達(dá)到-22.3 %及33.5 %,索力較為異常。

2.3斜拉索PE護(hù)套及鋼絲

從全橋PE護(hù)套檢測統(tǒng)計結(jié)果可以看出，全橋共212根斜拉索，有154根斜拉索存在PE護(hù)套病害，病害率73 %。其中存在較為嚴(yán)重的病害斜拉索61根，嚴(yán)重病害率29 %。

從全橋抽查的36處拉索開索統(tǒng)計結(jié)果可以看出，斜拉索鋼絲的整體銹蝕情況處于輕微銹蝕至中度銹蝕(圖2)。全橋共開索抽查33根索36處，有7處開索后鋼絲無銹蝕，占19.4 %；有8處開索后鋼絲處于輕微銹蝕，占22.2 %；有18處開索后鋼絲處于一般銹蝕，占50 %，有3處開索后鋼絲處于中度銹蝕，占8.3 %；鋼絲存在銹蝕的比例總的為80.6 %(表1)。

圖2　斜拉索鋼絲銹蝕分級

抽查33根拉索開索36處無銹蝕(Ⅰ類)輕微銹蝕(Ⅱ類)一般銹蝕(Ⅲ、Ⅳ類)中度銹蝕(Ⅴ類)7處8處18處3處比例19.4%22.2%50%8.3%

2.4主梁及索塔狀態(tài)

主梁整體狀況較好，無結(jié)構(gòu)受力裂縫。斜拉索主梁錨固齒板，有14處出現(xiàn)錨固受力裂縫。主塔的總體現(xiàn)狀較好，未發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)受力裂縫。

2.5原因分析

(1)施工原因：全橋的斜拉索在歷史背景下均采用現(xiàn)場制作?，F(xiàn)場制作的斜拉索較工廠制作的成品索在制作工藝存在較大局限性，造成質(zhì)量上較難控制，導(dǎo)致斜拉索PE護(hù)套出現(xiàn)質(zhì)量缺陷，如PE融化不完全、不密實、有蜂窩、鼓包、接頭縮徑等。雖然多數(shù)缺陷已做了處理，但僅限于表面處理，在這些缺陷處還是極易出現(xiàn)開裂、破損等病害。從現(xiàn)場檢查結(jié)果看，多數(shù)開裂、破損處有質(zhì)量缺陷，有維修處理過的痕跡。掛索施工時未對斜拉索進(jìn)行足夠的防護(hù)，導(dǎo)致斜拉索安裝時產(chǎn)生大量劃痕，在劃痕嚴(yán)重處易出現(xiàn)開裂、破損等病害。

(2)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。

(3)環(huán)境因素：本橋已運營14年之久，斜拉索PE護(hù)套在紫外線的照射、風(fēng)霜雨雪的侵蝕下，PE會逐漸發(fā)生老化現(xiàn)象，在缺陷或薄弱處易發(fā)生病害。

(4)荷載作用：隨著經(jīng)濟(jì)的增長，車流量和重車比例均飛速增長，在反復(fù)荷載作用下也會加速病害的發(fā)生和發(fā)展。

(5)其它原因：主要是由于以往維修時對病害的修補(bǔ)質(zhì)量不好，導(dǎo)致新修補(bǔ)處重新出現(xiàn)病害或原病害重新暴露。

3換索總體目標(biāo)

(1)換索后大橋仍保持原設(shè)計的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

(2)換索方案針對性強(qiáng)，安全可靠，過程中會減小對原結(jié)構(gòu)的損傷。

(3)重視方案的可施工性，細(xì)化工藝流程，確保加固質(zhì)量。

(4)換索設(shè)計重視拉索耐久性能。

4換索設(shè)計

4.1換索工序設(shè)計

全橋斜拉索及其錨固構(gòu)造的全部更換。換索工況為6#～15#一次更換2對(4根)斜拉索，其余拉索一次更換1對(2根)斜拉索。

(1)在橋塔的下橫梁與主梁間設(shè)置臨時支座。

(2)換索的程序：由雙塔同時反對稱進(jìn)行，由內(nèi)索開始逐索更換直至外索，最后更換垂直吊索；換索順序為：(長壽側(cè)中跨上游i#索、長壽側(cè)邊跨上游i#索)同時拆除更換→(長壽側(cè)中跨下游i#索、長壽側(cè)邊跨下游i#索)同時拆除更換→(涪陵側(cè)中跨上游i#索、涪陵側(cè)邊跨上游i#索)同時拆除更換→(涪陵側(cè)中跨下游i#索、涪陵側(cè)邊跨下游i#索)同時拆除更換。當(dāng)全橋i#索更換完成后，再按上述順序重復(fù)更換(i+1)#拉索。每次更換同一塔側(cè)相同索號的兩根斜拉索，其中，6#～15#索同一索塔的4根同索號可一次更換斜拉索。拉索編號見圖3。

(3)同一索號的斜拉索每次于塔柱上游側(cè)更換兩束然后再更換下游側(cè)兩束，更換完成以后，再更換另一塔柱，交替進(jìn)行，直至該索號全部束均更換完畢后，再進(jìn)行下一索號的更換。

(4)在更換斜拉索時，每索均按設(shè)計給定的索力進(jìn)行張拉錨定，待同一索號斜拉索全部束均更換完畢后，全部的束再同時張拉進(jìn)行索力調(diào)整，使其達(dá)到給定的索力；沒有特殊情況該索不再進(jìn)行二次張拉調(diào)索。

(5)同一索號的斜拉索全部更換完畢后，除進(jìn)行索力影響面的測試外，還應(yīng)該進(jìn)行臨近點橋面的高程測量，根據(jù)測試數(shù)據(jù)，決定是否調(diào)整索力。

圖3　拉索編號示意圖

4.2卸索工藝

(1)利用反力架、連接器張拉螺桿、接力螺帽、拉伸機(jī)，按新計算索力為依據(jù)，雙塔反對稱、單塔雙向?qū)ΨQ同時進(jìn)行拉索分級松張。卸索以變形為主控制索力變化，每次1～5 cm同步放松。放松時密切注意兩側(cè)松張的索力，變形保持同步，以保證索塔兩側(cè)不產(chǎn)生偏載，受力平衡。

(2)利用千斤頂行程及引出桿螺母逐步放索，待拉索無應(yīng)力時(一般不高于1 MPa)，再用塔柱上卷揚機(jī)滑車卡緊拉索，先卸下千斤頂反力架、引出桿，再利用卷揚機(jī)將索徐徐放下?？紤]到原索壓漿后剛度大，不易彎折，則宜在橋面上設(shè)卷揚機(jī)動力牽引，引導(dǎo)放下，同時固定下索端，然后在下錨管出口處用氣割逐絲割斷舊索，分別卸下運出現(xiàn)場。

4.3新索安裝工藝

(1)張拉時，按順序先放錨杯大螺帽，再放大墊板，其次是大螺帽，反力架，千斤頂，大螺帽。油泵開動少許供油，千斤頂張拉缸保持適量的油壓后(約1 MPa)，調(diào)整千斤頂反力架，使之與錨管在同一軸線上。

(2)張拉采用張拉力與伸長值雙控，分級張拉，持荷5 min。其目的是為了使雙向千斤頂張拉力均衡進(jìn)行，避免索塔單向受力過大。待同一索號斜拉索雙塔反對稱、單塔雙向?qū)ΨQ同時進(jìn)行張拉達(dá)到給定的索力后(設(shè)計控制應(yīng)力)，沒有特殊情況，該索不再張拉。

(3)橋面高程測量應(yīng)在卸索前、卸索后、張拉后分3次進(jìn)行，測點主要是斜拉索在主梁錨固處和橋的跨中，以密切注意橋面高程變化。施工完成后，對以前完成的索的標(biāo)高重新復(fù)測，為換索的全過程提供驗證依據(jù)。

(4)對拉索張拉值的量測方法，以施工中標(biāo)定配套的油壓表控制張力，配以傳感器作為自檢手段，同時按計算及檢測結(jié)果為依據(jù)調(diào)整指令，完善最終的張拉控制作為自檢手段。

4.4拉索設(shè)計

本橋更換采用的斜拉索均采用兩端已裝好錨具的成品拉索。受梁體及索塔內(nèi)預(yù)埋管道尺寸的限制，更換斜拉索仍采用熱擠聚乙烯高強(qiáng)鋼絲拉索。

鋼絲采用橋梁纜索用鍍鋅鋼絲，鋼絲直徑7 mm，直徑允許偏差±0.07 mm，不圓度≤0.07 mm，鋼絲抗拉強(qiáng)度≥1 770 MPa，彈性模量(2.0±0.1)×105MPa。聚乙烯護(hù)套采用黑色和彩色高度雙層護(hù)套料，護(hù)套料在直接承受大氣環(huán)境因素的作用下，應(yīng)具有較好的抗老化壽命。拉索外表面應(yīng)設(shè)置螺旋線等抗風(fēng)雨振構(gòu)造。冷鑄錨錨杯和錨圈選用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼或合金結(jié)構(gòu)鋼。胚件應(yīng)為鍛件，經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理，外表面鍍鋅。

為提高拉索的耐久性，斜拉索錨固端應(yīng)增加不銹鋼防護(hù)罩，提高拉索長期使用的防護(hù)能力。主梁和索塔拉索套管內(nèi)填充聚氨酯發(fā)泡材料，以阻止水份的進(jìn)入。梁上拉索套管出口處采用不銹鋼防護(hù)罩，加強(qiáng)該部位的防護(hù)效果。為避免接近橋面2.5 m范圍內(nèi)的拉索被人為損壞，對此高度內(nèi)的拉索表面包裹不小于1.0 mm厚的不銹鋼管。在主梁及索塔斜拉索導(dǎo)管出口端安裝阻尼減震器。

5換索計算分析

5.1計算分析總體目標(biāo)

(1)按照換索計算和索力優(yōu)化兼顧原則。

(2)保證換索施工過程橋梁結(jié)構(gòu)安全。

(3)通過對張拉索力的優(yōu)化，改善橋梁運營期間的應(yīng)力狀況。

(4)在換索過程和換索完成后主梁和主塔不產(chǎn)生過大的位移變化。

5.2計算分析階段劃分

調(diào)整偏差值較大索力→去除舊的橋面鋪裝→在索塔橫梁處對主梁施加1 000 kN的頂升力(每肋500 kN)→在索塔橫梁處對主梁設(shè)置臨時支承→由近及遠(yuǎn)(距索塔)依次換索→更換欄桿、鋪裝新的橋面鋪裝。

換索過程中，新索的控制張拉力兼顧三方面：一是一次張拉到位，換索完成不需再調(diào)索；二是換索過程中主梁的應(yīng)力控制在合理的范圍之內(nèi)；三是換索完成后主梁的應(yīng)力(運營階段最不利組合)、位移及索塔的位移控制在合理的范圍之內(nèi)。

5.3主要計算成果

5.3.1索力值

更換拉索過程中，拉索索力主要由其兩側(cè)3對索承擔(dān)，兩側(cè)5對索之外的拉索索力基本無變化。本次換索調(diào)索索力值為原設(shè)計索力的81 %～119 %，調(diào)索索力值為換索前實測索力的80 %～119 %。安全系數(shù)見表2。

表2　斜拉索的安全系數(shù)

5.3.2主梁應(yīng)力

拉索在拆除時，主梁上緣壓應(yīng)力增大，下緣拉應(yīng)力增大，隨著離更換拉索處距離的增大，上下緣應(yīng)力變化幅度逐漸減小，其影響范圍主要局限在拉索兩側(cè)3個節(jié)段(即18 m)之內(nèi)。張拉新拉索后，梁上應(yīng)力水平基本能恢復(fù)到換索之前的狀態(tài)。成橋狀態(tài)與運營階段的主梁應(yīng)力見表3、表4。

5.3.3主梁及索塔變位

主梁及索塔位移計算結(jié)果見表5、表6。

6主要技術(shù)特點

(1)根據(jù)項目橋梁實際狀態(tài)，制定換索設(shè)計方案，針對性強(qiáng)，可實施性好。通過換索設(shè)計提高了橋梁的安全性和耐久性。

表3　成橋狀態(tài)主梁應(yīng)力　MPa

表4　運營階段主梁應(yīng)力　MPa

*注：受壓為正值，受拉為負(fù)值

表5　主梁位移

表6　主塔位移

(2)換索計算分析，索力優(yōu)化與主梁應(yīng)力控制、塔梁變位兼顧的原則，保證換索過程橋梁結(jié)構(gòu)的安全可靠，同時優(yōu)化了換索工序。

(3)換索過程根據(jù)計算分析的結(jié)果，采用6#～15#一次更換2對(4根)斜拉索，其余拉索一次更換1對(2根)斜拉索的方式，提高了施工效率。

(4)為提高拉索的耐久性，從材料、結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)構(gòu)造、工藝進(jìn)行了細(xì)化設(shè)計，提高了拉索的耐久性。

7結(jié)束語

本項目于2012年6月開工，2012年12月完成。是目前長江上第一座完成全面斜拉索更換的大型橋梁，可為同類橋型的換索實施提供了參考和借鑒。

參考文獻(xiàn)

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[2]四川省交通運輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院.涪陵長江大橋技術(shù)改造施工圖設(shè)計文件[R]. 2012.

[3]王文濤. 斜拉橋換索工程[M]. 2版. 北京:人民交通出版社, 2006.

[作者簡介]田波(1974～)，男，工程碩士，高級工程師，從事橋梁工程設(shè)計及研究工作。

【中圖分類號】U445.7+4

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

[定稿日期]2015-11-02