孫仕， 張謝東， 呂利芹， 秦川

(1.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院， 湖北 武漢 430063； 2.湖北交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院 十堰分院)

隨著新材料的發(fā)展與建造工藝的不斷革新，國內(nèi)斜拉橋建設(shè)飛速發(fā)展。作為斜拉橋的主要承力構(gòu)件，拉索連接著主梁與主塔，起著重要的傳力作用。由于與主梁呈不同角度傾斜，拉索不僅會(huì)提供豎向的拉力，還提供了強(qiáng)大的軸向壓力，這對(duì)于主梁抵抗彎矩是有利的。然而，布置在梁體外部且長期處于高應(yīng)力狀態(tài)下的拉索，直接受到環(huán)境荷載(溫度、濕度等)影響，很容易受到不同程度的侵蝕而損壞甚至斷裂。盡管合理的防護(hù)可以延長拉索的使用壽命，但實(shí)際效果卻往往不盡如人意。對(duì)于運(yùn)營多年的老橋，換索成為解決拉索銹蝕問題的唯一方法。換索包括卸除舊索和安裝新索兩個(gè)步驟，如果任意一根拉索的索力發(fā)生變化，則其他拉索的索力會(huì)重新分布直至一個(gè)新的平衡狀態(tài)，從而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力線形都會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，尤其是對(duì)于剛度較小的主梁變化更為明顯。一般而言，拉索的設(shè)計(jì)安全系數(shù)較大，卸索引起的索力增大不足以達(dá)到拉索的承載極限，但對(duì)于整體銹蝕嚴(yán)重的拉索，索力的突然增大可能會(huì)引起自身斷裂甚至產(chǎn)生連鎖效應(yīng)導(dǎo)致橋梁垮塌。合理的換索順序可以規(guī)避這一風(fēng)險(xiǎn)。目前國內(nèi)外已有多座斜拉橋?qū)嵤┝藫Q索，該文結(jié)合一地錨式斜拉橋換索實(shí)例，通過建立該橋有限元桿系模型，從換索順序及數(shù)目的選擇討論不同換索工況下索力重分布與結(jié)構(gòu)線形變化，并針對(duì)地錨式斜拉橋這一特殊橋型提出一種不同工序組合式換索方案。

1 換索順序與數(shù)目選擇

對(duì)于換索方案的確定，主要考慮兩點(diǎn)：

(1) 整體換索順序的確定。按照秦順全提出的無應(yīng)力狀態(tài)控制法，結(jié)構(gòu)單元的無應(yīng)力狀態(tài)與結(jié)構(gòu)體系及外荷載無關(guān)，拉索無應(yīng)力索長只能由張拉改變。在保證體系安全的前提下，更換的拉索只要張拉到設(shè)計(jì)成橋狀態(tài)的無應(yīng)力索長，在全橋換索完成后即為目標(biāo)成橋狀態(tài)而不用二次調(diào)索。因此在理論上拉索的更換順序是任意的。為便于施工組織，換索工程一般按順序進(jìn)行，對(duì)于銹蝕嚴(yán)重的拉索采取優(yōu)先更換。史國剛等以彎曲應(yīng)變能最小為橋梁狀態(tài)指標(biāo)，提出相比較短索，卸除長索后彎曲應(yīng)變能的改變較大，故先卸除短索可以使橋梁擁有更大的安全儲(chǔ)備。但兩種換索順序在實(shí)際施工中都有使用。

(2) 單次換索數(shù)目的選擇。由于斜拉索直接錨固在主塔上，每根拉索都會(huì)在主塔錨固端對(duì)主塔產(chǎn)生很大的水平分力，而一般斜拉橋索面往往是對(duì)稱布置的，這樣可以抵消巨大的水平力。如果一次只卸除1根索，則會(huì)打破這一平衡并且使主塔受到局部水平力與巨大的塔底彎矩。故從主塔結(jié)構(gòu)安全考慮，一般都采取單塔對(duì)稱更換一對(duì)索的方式。若為雙塔或多塔斜拉橋，還可以結(jié)合具體工程考慮多塔同時(shí)換索方案。

2 工程背景

2.1 工程概況

湖北鄖縣漢江大橋?yàn)橹袊鴩鴥?nèi)首座預(yù)應(yīng)力混凝土地錨式斜拉橋，1994年建成通車，跨度布置為(86+414+86)m，雙塔雙索面，為209國道重點(diǎn)橋梁工程。經(jīng)過多年服役，全橋拉索銹蝕受損嚴(yán)重，為保證橋梁運(yùn)營安全，目前正對(duì)全橋200根拉索進(jìn)行更換。部分橋梁工程參數(shù)如表1所示。

表1 部分橋梁參數(shù)

注：資料來源于《鄖陽漢江公路大橋修改施工圖》。

2.2 全橋拉索布置

全橋?qū)ΨQ布置拉索200根，其中南主北塔邊跨各有42根邊跨索錨固在地錨上。

該文按如下方式對(duì)全橋總計(jì)200根索進(jìn)行編號(hào)：參照?qǐng)D1，第一個(gè)字母區(qū)分主塔，十堰南塔記為S，鄖縣北塔記為Y；第二個(gè)字母區(qū)分中邊跨，中跨索記為M，邊跨索記為S；數(shù)字為序號(hào)，沿主塔向兩側(cè)由1遞增至25；最后小寫字母表示上下游，分別記為a、b。如鄖縣中跨上游第20號(hào)索記為YM20a。

為便于分析，對(duì)于同索面的拉索，索號(hào)簡記為中邊跨+序號(hào)。

圖1 全橋拉索布置

3 多工況索力重分布與結(jié)構(gòu)線形分析

參照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，通過有限元軟件Midas/Civil建立全橋桿系模型，不斷調(diào)整索力以達(dá)到目標(biāo)成橋狀態(tài)，所建有限元模型如圖2所示?？紤]全橋拉索數(shù)目較多，下面以卸除南塔上游側(cè)拉索為例，討論5種換索工況下該索面索力重分布與結(jié)構(gòu)線形變化，在卸除單側(cè)拉索時(shí)，由于拉索數(shù)目較多且分布較密，索力重分布后在各截面產(chǎn)生的附加扭矩較小，而梁截面本身具有較大的抗扭剛度，故后續(xù)分析對(duì)于橫橋向線形不作討論，主要分析縱橋向線形變化，并由此提出一種合理的換索方案。

圖2 全橋有限元模型

3.1 工況1：單塔卸除1根索

盡管在實(shí)際施工中，為了主塔受力平衡，一般采取單塔對(duì)稱更換的方法，但對(duì)于受損嚴(yán)重的索應(yīng)考慮單獨(dú)更換，故將卸除1根索的工況也考慮在內(nèi)。對(duì)于地錨式斜拉橋這一特殊結(jié)構(gòu)，其部分邊跨索一端錨固在地錨上，而中跨索則直接錨固于主梁，故卸除邊跨索與中跨索對(duì)鄰索的索力分布影響也不同。圖3(a)、(b)為分別卸除最長邊跨索(S25)與最長中跨索(M25)對(duì)鄰索的索力增量對(duì)比。卸除邊跨25號(hào)索時(shí)，鄰索索力最大增加164.49 kN(S24)，相比原索力增大4.41%。中跨長索有不同程度索力下降，最大減小47.03 kN(M25)，相比原索力下降1.47%。卸除中跨25號(hào)索時(shí)，鄰索索力最大增加266.54 kN(M24)，相比原索力增大8.93%，而邊跨拉索索力均呈下降趨勢，最大減小93.43 kN，相比原索力下降2.50%?？梢钥闯觯盒冻锌玳L索時(shí)其他拉索索力波動(dòng)較大。分析原因可能是因?yàn)橹锌缢麇^固在主梁上，在卸索后直接對(duì)主梁和主塔產(chǎn)生影響，柔度較大的主梁發(fā)生輕微撓動(dòng)便會(huì)使拉索索力產(chǎn)生較大波動(dòng)；而邊跨索一端錨在地錨上，卸索后直接影響的結(jié)構(gòu)只有主塔，而主塔剛度較大，故對(duì)主梁的間接作用相對(duì)較小。

圖3 單塔卸除1根索索力增量變化及主塔偏位情況

由于水平力的不平衡，卸除1根拉索對(duì)主塔偏位會(huì)產(chǎn)生影響，故也對(duì)兩種情況下的主塔偏位進(jìn)行對(duì)比，如圖3(c)所示?？梢钥闯鲈谛冻吙玳L索時(shí)塔頂向中跨方向偏移18.8 mm，而在卸除中跨長索時(shí)塔頂向邊跨方向偏移11.5 mm，這也可用前述分析解釋：卸邊跨索時(shí)主塔為主要受力結(jié)構(gòu)，而卸中跨索時(shí)不平衡力由主梁與主塔共同承擔(dān)，故前者主塔偏位較大。從整體來看，卸1根索不會(huì)對(duì)主塔產(chǎn)生明顯影響，可以認(rèn)為主塔是安全的，以下工況均采用單塔對(duì)稱更換，不再對(duì)塔偏進(jìn)行討論。實(shí)際施工對(duì)于單索更換，建議優(yōu)先更換邊跨索。

3.2 工況2：單塔卸除同索面兩根索

該工況為對(duì)稱卸除單塔同索面一對(duì)長索(S25、M25)，對(duì)于索力較大的長索，為了保證施工安全，會(huì)考慮兩塔輪流更換，圖4為卸除南塔上游側(cè)一對(duì)長索對(duì)鄰索索力增量影響。

圖4 卸除同索面25號(hào)2根索索力增量變化

不同于工況1，當(dāng)同時(shí)卸除兩根長索時(shí)，其余拉索索力均增大，但增幅相對(duì)較小。邊跨鄰索S24索力增加70.08 kN，相比原索力增大1.88%，中跨鄰索M24索力增加226.06 kN，相比原索力增大7.58%。故對(duì)稱卸索比單獨(dú)卸1根索引起的索力增量更小。

3.3 工況3：雙塔對(duì)稱卸除4根索

為加快換索施工進(jìn)度，在保證施工安全的前提下，可以考慮雙塔同時(shí)更換。該工況為雙塔對(duì)稱卸除同索面同序號(hào)4根索(SS25a、SM25a、YM25a、YS25a)，相比工況2，同時(shí)卸除4根索顯然會(huì)引起更大的索力波動(dòng)，邊跨鄰索S24索力增加145.58 kN，相比原索力增大3.90%，中跨鄰索M24索力增加434.51 kN，相比原索力增大14.56%。遠(yuǎn)端拉索索力增量值隨距離增大而遞減，短索受影響較小(圖5)。

圖5 雙塔對(duì)稱卸除同索面25號(hào)4根索索力增量變化

3.4 工況4：雙塔反對(duì)稱卸除4根索

該工況為雙塔反對(duì)稱卸除不同索面同序號(hào)4根索(SS25a、SM25a、YM25b、YS25b)，由圖6(a)可知：索力增量分布整體趨勢同工況3，但數(shù)值有所不同：邊跨鄰索S24索力增加147.38 kN，相比原索力增大3.95%，中跨鄰索M24索力增加325.61 kN，相比原索力增大10.91%。可見雙塔換索正對(duì)稱與反對(duì)稱兩種方式對(duì)邊跨索索力影響不大，原因可能在于地錨的存在約束了邊跨索的變形；而對(duì)比中跨索的索力增量，反對(duì)稱更具優(yōu)勢。文獻(xiàn)[5]對(duì)這一現(xiàn)象的解釋是卸索對(duì)同索面拉索的索力增量影響較大，故反對(duì)稱更換不同索面拉索會(huì)產(chǎn)生較小的索力增量。對(duì)于雙塔更換4根索建議采用反對(duì)稱卸除。

圖6 雙塔反對(duì)稱卸除4根索

從卸25號(hào)4根索對(duì)比中發(fā)現(xiàn)，即使采用反對(duì)稱法中跨鄰索的索力增量依然很大，考慮長索自身索力較大，且主梁較大的豎向位移會(huì)對(duì)跨中無軸力鉸結(jié)構(gòu)造成破壞，一次更換4根長索是存在安全風(fēng)險(xiǎn)的。故對(duì)反對(duì)稱卸除25、20、15號(hào)4根索引起的索力增量與主梁線形變化進(jìn)行對(duì)比，由圖6(b)可知：卸20號(hào)索時(shí)的最大索力增量143.03 kN已遠(yuǎn)小于卸25號(hào)索時(shí)的325.61 kN，其余長索的索力增量也均在100 kN左右；卸15號(hào)索時(shí)最大索力增量為150.64 kN，而中跨長索索力增量顯著減小。對(duì)比圖6(c)，隨著序號(hào)的減小，主梁線形越趨平緩，且到卸15號(hào)索時(shí)主梁跨中豎向位移較小。綜合分析對(duì)于序號(hào)小于15的索采用反對(duì)稱法換4根是可行的。

3.5 工況5：雙塔卸除8根索

工況5為雙塔同時(shí)卸除同序號(hào)8根索，對(duì)于一次更換8根索，實(shí)際工程應(yīng)用中較為罕見。主要原因在于一次卸除過多拉索會(huì)對(duì)全橋索力及主梁線形產(chǎn)生較大影響?？紤]到此例全橋拉索數(shù)目較多，且拉索安全系數(shù)較大，故對(duì)卸8根索方案進(jìn)行討論。下面對(duì)卸25、20、15、10、5號(hào)索時(shí)的索力增量和主梁線形變化作對(duì)比分析：由圖7(a)，卸序號(hào)小于15的索時(shí)，中跨長索的索力增量數(shù)值很小且趨于平穩(wěn)，鄰索的最大索力增量均不超過300 kN，對(duì)于自身索力較小且安全系數(shù)較大的短索是安全的；由圖7(b)，卸8根長索對(duì)主梁線形影響非常大，隨著序號(hào)減小，線形波動(dòng)趨于平緩，卸10號(hào)索時(shí)，主梁跨中豎向位移很小，可以認(rèn)為主梁是安全的。綜合分析在更換序號(hào)小于10的索時(shí)可以考慮一次換8根。

圖7 卸不同序號(hào)8根索

3.6 組合式換索方案與監(jiān)測措施

綜合以上討論，提出一種針對(duì)該橋的換索參考方案；并結(jié)合各換索工況計(jì)算結(jié)果，給出相應(yīng)的監(jiān)測建議：

考慮到該橋是一座服役超過20年的老橋，且目前運(yùn)營狀態(tài)良好，換索施工應(yīng)盡可能還原橋梁的初始受力狀態(tài)。在換索施工前應(yīng)對(duì)全橋索力與線形進(jìn)行通測，記錄橋梁換索前初始狀態(tài)。整體更換順序從長索換至短索，不選擇從短索換至長索是為了保證在多索更換時(shí)長索與跨中主梁具有足夠的安全性；對(duì)于銹蝕嚴(yán)重的索采用“優(yōu)先更換”原則，先邊跨后中跨，期間對(duì)鄰近至少8根索的索力進(jìn)行定時(shí)監(jiān)測，并在拉索下錨端對(duì)應(yīng)位置布置測點(diǎn)觀測撓度變化；對(duì)于25～16號(hào)索，采用“雙塔先后反對(duì)稱、單塔對(duì)稱”方式，一次更換同索面同序號(hào)兩根索，期間對(duì)鄰近6～8根索的索力與對(duì)應(yīng)位置的撓度進(jìn)行監(jiān)測；對(duì)于15～11號(hào)索，采用“雙塔反對(duì)稱、單塔對(duì)稱”方式，一次更換不同索面同序號(hào)4根索，期間對(duì)鄰近10～14根索的索力與對(duì)應(yīng)位置的撓度進(jìn)行監(jiān)測；對(duì)于10～1號(hào)索，采用“雙塔對(duì)稱、單塔對(duì)稱”方式，一次更換同序號(hào)全部8根索，期間對(duì)鄰近8～12根索的索力與對(duì)應(yīng)位置的撓度進(jìn)行監(jiān)測。由于中跨跨中無軸力鉸的受力對(duì)主梁線形變化較為敏感，應(yīng)在該部位額外添加撓度測點(diǎn)，在全橋換索施工中密切觀測其撓度變化，保證無軸力鉸的受力安全。換索完成后對(duì)全橋索力與線形再一次進(jìn)行通測，對(duì)比初始狀態(tài)，對(duì)部分索力偏差較大的拉索進(jìn)行微調(diào)。

4 結(jié)論

通過5種換索工況下索力增量與結(jié)構(gòu)線形對(duì)比，得到以下結(jié)論：

(1) 對(duì)于地錨式斜拉橋，由于地錨這一特殊結(jié)構(gòu)存在，換索時(shí)邊跨的索力增量與主梁線形分布較中跨表現(xiàn)出更大的安全性。

(2) 一般而言，卸除1根索會(huì)對(duì)臨近8～10根索及其錨端主梁線形產(chǎn)生較大影響。相比短索，自身索力更大的長索在卸除后會(huì)引起鄰索較大的索力變化，在實(shí)際換索施工時(shí)應(yīng)格外注重長索索力及主梁跨中內(nèi)力線形的監(jiān)控。

(3) 對(duì)于8索更換方式，由于卸索數(shù)目多而工程應(yīng)用少，對(duì)不同橋例應(yīng)作特定方案，建議在更換短索時(shí)考慮。多種換索順序組合，可以在保證安全的前提下使換索施工更為高效。該文提出的針對(duì)該地錨式斜拉橋的組合式換索方案，配合組織嚴(yán)密的施工監(jiān)測，可以實(shí)現(xiàn)高效有序的換索。對(duì)于類似的其他斜拉橋尤其是密索體系橋換索，該方式利于施工效率的提高及施工組織。