王繼林,董凌峰,金旭輝,夏葉飛

(華設(shè)設(shè)計集團股份有限公司，南京 210014)

懸索橋吊索易損件的使用壽命相對較短，運營期間會出現(xiàn)耐久性降低、疲勞損傷和強度損傷等情況，應(yīng)及時評估和更換。大跨徑懸索橋吊索的長度較長、剛度較柔、安全要求高，難以采用中小拱橋所采用的部分?jǐn)_動兜吊法實施切割舊索更換新索工藝[1]。懸索橋吊索更換一般采用臨時拉索和工裝卸載舊索進行更換的工藝方法。2010年江陰長江大橋懸索橋主橋采用2根臨時索張拉將上下耳板中的短吊索銷軸卸載并敲出的方式取出舊索后更換新短索[2-3]。2018年江陰長江大橋懸索橋開展長吊索的更換工作，采用五吊點同時起吊臨時拉索實現(xiàn)長吊索的更換安裝[4-5]。2015年汕頭海灣大橋懸索橋利用橋面桁架、張拉吊桿及錨固裝置實現(xiàn)舊索卸載和新索安裝[6]。以上工藝無論是單吊點還是多吊點張拉卸載舊索，都是利用臨時拉索完全釋放整根更換索索力[7]，因此換索期間會產(chǎn)生較大位移量，一般要采用多根臨近索平緩過渡，工程措施較復(fù)雜。如對于70 m吊索，若將800 kN索力卸載，吊桿全長縮短25 cm才能達到無應(yīng)力狀態(tài)，因此換索對橋梁主纜和鋼箱梁結(jié)構(gòu)擾動較大，亟須研究出對懸索橋結(jié)構(gòu)擾動較小的拆換索工藝。

另外，懸索橋柔性較大、動力響應(yīng)特征明顯、對通行車流敏感[8]，隨著來往車輛車速和車重的增加，橋梁跨中豎向位移和加速度時程曲線振動特征變化明顯，動力響應(yīng)也呈快速增長趨勢。但由于懸索橋?qū)儆诮煌ü?jié)點工程，交通流量大，難以對橋面進行交通封閉換索施工。在不封閉交通的情況下，吊索能否順利更換主要取決于銷軸是否可以順利取出、施工監(jiān)控指標(biāo)選取是否合理以及換索過程中構(gòu)件受力變化是否正常等，目前相關(guān)研究資料較少。

為減少換索時結(jié)構(gòu)擾動，研究提出運營期長吊索單吊點局部無應(yīng)力拆裝換索技術(shù)[9]。即一期局部卸載吊索銷軸段至無應(yīng)力狀態(tài)下拆除銷軸，二期逐漸卸載整根吊索。同時對拆除舊索和安裝新索過程中結(jié)構(gòu)的受力轉(zhuǎn)換進行過程分析。在不封閉交通情況下對運營中吊索和鋼箱梁的時程響應(yīng)進行分析，提出施工監(jiān)控技術(shù)控制指標(biāo)，指導(dǎo)換索有序進行。

1 橋梁概況

某懸索橋索塔高為209.9 m，主跨為1 490 m，該橋為單孔雙鉸鋼箱梁懸索橋。主纜矢跨比為1/9.96，中心距為34.3 m。加勁梁為全焊扁平閉口流線型單箱單室鋼箱梁。吊索為上下銷接的平行鋼絲束，吊索間距為16.1 m，每個吊點含2根吊索。每根吊索由鍍鋅高強鋼絲組成。吊索的直徑為58 mm，鋼絲強度標(biāo)準(zhǔn)值為1 670 MPa，吊索采用109Φ5平行鋼絲并外包PE(聚乙烯)護套，全橋吊索共360根。索夾采用鑄鋼，吊索上下錨端均為順橋向銷接式，跨中設(shè)置剛性中央扣連接。橋塔采用門式鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，鉆孔灌注樁群樁基礎(chǔ),錨碇采用重力式錨體。設(shè)計荷載為汽車-超20級、掛車-120標(biāo)準(zhǔn)。橋面寬度為32.5 m，采用雙向六車道。橋梁立面示意如圖1所示。2017年懸索橋西幅發(fā)生交通事故并引發(fā)火災(zāi)，其15#和16#吊索平行鋼絲外露受火損傷，須更換受損吊索。由于橋型結(jié)構(gòu)復(fù)雜、橋梁動力特性明顯，并且在不封閉交通的情況下吊索更換工藝更加復(fù)雜,受管理單位委托對該懸索橋換索工程進行課題專項研究?；谡n題研究成果，于2019年完成該懸索橋受損吊索更換。

圖1 橋梁立面示意(單位：cm)

2 拆裝換索方案設(shè)計

2.1 多種換索方案綜合評價

在充分調(diào)研江蘇省江陰長江公路大橋懸索橋短吊索和長吊索更換技術(shù)后，為本項目提出4種換索技術(shù)方案并進行對比分析。4種技術(shù)方案的吊索換索構(gòu)造如圖2所示，4種換索技術(shù)方案對比如表1所示。

(a)方案一

表1 4種換索技術(shù)方案對比

方案一和方案二中的臨時拉索張拉，主要是為了調(diào)整更換索初始索力。拆索通過直接頂推更換索實現(xiàn)，一期將銷軸段卸載至無應(yīng)力狀態(tài)，將索銷軸拆除，二期將整根索逐漸卸載至無應(yīng)力狀態(tài)，對相鄰索索力改變不明顯。靜力分析顯示，方案一中主纜最大發(fā)生-38 mm位移，方案二中主纜最大發(fā)生-21.5 mm位移。方案三和方案四通過張拉臨時索，將更換索索力整根直接卸載至0，不直接張拉更換索，對相鄰索索力改變明顯。方案三屬于單吊點張拉臨時索換索，方案四屬于多吊點張拉臨時索換索，拆索時均直接將吊索全部卸載至無應(yīng)力狀態(tài)。靜力分析顯示，方案三中主纜最大發(fā)生-119 mm 位移，方案四中主纜最大發(fā)生-120 mm位移，對結(jié)構(gòu)整體擾動明顯。單吊點換索錨頭局部應(yīng)力集中明顯，分析局部鋼結(jié)構(gòu)易塑性破壞。方案一較方案二有更強的索力調(diào)節(jié)功能，換索時吊索安全度更高。從減少結(jié)構(gòu)擾動、提升施工便捷性以及儲備吊索新技術(shù)角度分析，最終選擇方案一進行深化研究和實踐。

2.2 換索方案的工裝深化設(shè)計

根據(jù)方案一對換索工藝工裝進行深化設(shè)計。長吊索單吊點局部無應(yīng)力拆裝工裝是利用鋼箱梁吊耳上2個預(yù)留吊耳孔布置2根主拉桿，主拉桿連接橫梁，橫梁兩端連接著騎跨在主纜上的臨時吊索。2根橫梁下側(cè)布置2根反力梁，作為頂推舊吊索和安裝新吊索的千斤頂?shù)姆戳堋５跛鞑鹧b工裝設(shè)計如圖3所示，拆索階段吊索受力示意如圖4所示。

圖3 吊索拆裝工裝設(shè)計

在不封閉交通的情況下,換索工藝流程主要為：安裝2根臨時吊索和索夾設(shè)備，先頂推臨時吊索至設(shè)定索力值，然后安裝要更換的16#2舊索頂推系統(tǒng)，用千斤頂頂推反力梁，待更換舊索頂推點以下的吊索卸載，此時耳板及吊索銷軸處于無應(yīng)力狀態(tài)，一期拆除銷軸，二期逐漸釋放吊索頂推力，整根吊索卸載時完成舊索拆除。安裝新索前安裝新鎖頂推系統(tǒng)，千斤頂先頂推新索，待新索銷軸對中后安裝銷軸，并逐漸釋放頂推力，完成新索安裝。同樣方法安裝16#1新索，換索后釋放2根臨時吊索頂推力，拆除臨時吊索、橫梁及臨時索夾，清理現(xiàn)場，完成16#吊索更換。吊索更換施工步驟及階段劃分如表2所示，換索過程示意如圖5所示。

(a)吊索火損

表2 吊索更換施工步驟及階段劃分

3 不封閉交通對換索影響分析

3.1 有限元分析模型

全橋采用脊骨梁結(jié)構(gòu)有限元模型，有限元模型如圖6所示，吊索通過剛臂與脊骨梁連接。懸索橋的跨中中央扣采用耦合的方法，將中央扣和剛臂連接在一起。邊界條件為兩側(cè)地錨和橋墩節(jié)點約束全部自由度。在橋的兩端布置縱向阻尼器，有限元模型中采用Combin37單元模擬阻尼器的力-速度非線性行為。吊索初始索力采用現(xiàn)場實測值輸入的方式。

圖6 有限元模型

3.2 環(huán)境因素影響分析

大跨徑懸索橋剛度較小,外界環(huán)境作用下動力響應(yīng)特征顯著。在不封閉交通的情況下進行換索,須在實際車流環(huán)境下對橋梁動力響應(yīng)進行精確分析，研究實際車流等外部環(huán)境對施工的影響程度，提取施工監(jiān)控指標(biāo)，從而指導(dǎo)施工。

1)風(fēng)和溫度效應(yīng)影響

為減小風(fēng)和溫度作用對換索節(jié)點工藝的影響，選擇較小風(fēng)速和較穩(wěn)定的氣溫條件下進行施工。換索過程中橋面風(fēng)速為0～2 m/s，風(fēng)力等級在1～2級水準(zhǔn)。主纜溫度為32～33 ℃、橋面溫度為40～41 ℃、箱梁內(nèi)部的溫度為39～41 ℃，施工中溫度較為穩(wěn)定。由于溫度變化較為緩慢,對換索過程中拆除銷軸和安裝銷軸的關(guān)鍵節(jié)點工程施工影響較小。

2)不封閉交通效應(yīng)影響

根據(jù)實際車流環(huán)境下橋梁時程分析，步驟2階段的16#吊索索力約為582.6 kN，索力振動波幅占索力均值0.2%，實測運營期索力波幅占索力均值不超過1%。這說明在不封閉交通情況下，吊索實時索力較為穩(wěn)定，主纜與鋼箱梁位移較一致,吊索長度變化較小。因此換索時銷軸可以從耳板中拆除或安裝，不會因隨機交通作用導(dǎo)致銷軸卡死的情況產(chǎn)生。步驟2階段的16#吊索位置處鋼箱梁位移振幅為-50～+20 cm,平均振幅為35 cm，鋼箱梁具有較顯著的動位移響應(yīng)。實際車流作用下吊索索力理論時程曲線如圖7所示，實際車流作用下吊索處鋼箱梁位移時程曲線如圖8所示。

圖7 實際車流作用下吊索索力理論時程曲線

圖8 實際車流作用下吊索處鋼箱梁位移時程曲線

分析可知實際車流作用下懸索橋雖然主纜和鋼箱梁動位移效應(yīng)顯著，但吊索與鋼箱梁位移同步協(xié)調(diào)性好,吊索索力較為穩(wěn)定,基本呈現(xiàn)通車狀態(tài)下“動態(tài)穩(wěn)定效應(yīng)”。因此在不封閉橋面交通情況下，可實現(xiàn)索銷軸拆除與安裝,長吊索單吊點局部無應(yīng)力銷軸拆裝施工關(guān)鍵方案可行，另吊索索力和索長可作為換索施工監(jiān)控指標(biāo)。

4 換索過程受力分析

4.1 索力分析

換索過程中更換索索力曲線如圖9所示，毗鄰吊索索力增量如圖10所示。

圖9 換索過程中更換索索力曲線

圖10 毗鄰吊索索力增量

由于運營期間索力較為穩(wěn)定,可認(rèn)為運營期索力不變,對換索過程中索力變化進行靜力計算。新舊索頂推力與頂推點位置相關(guān)，根據(jù)本次頂推位置測算出16#2吊索在步驟3-1、步驟4-1時新舊索最大頂推力為839 kN，16#1吊索在步驟5-1、步驟6-1時最大頂推力為822 kN，最大頂推力接近臨時索調(diào)整前吊索初始索力。臨時索調(diào)整降低的吊索索力在拆索時剛好被恢復(fù)，使換索對結(jié)構(gòu)擾動影響最小，臨時索力調(diào)整目標(biāo)達成。換索后新索索力基本可以恢復(fù)初始狀態(tài)。步驟2階段臨時索張拉使毗鄰索索力減少200 kN。

4.2 位移分析

由換索施工過程中靜力分析可知，步驟4和步驟6新索安裝處主纜發(fā)生最大位移為-38 mm，安裝過程中換索處主纜向下發(fā)生0～38 mm位移,主纜位移影響范圍較小。步驟6換吊索處鋼箱梁最大位移為8 mm，安裝過程中換索處鋼箱梁發(fā)生-7～8 mm位移,鋼箱梁位移影響范圍較大。換索過程中吊索長度最大縮短了46 mm,遠大于實際車流產(chǎn)生約0.1 mm吊索長度變化幅度。換索工況主纜靜力位移如圖11所示，換索工況鋼箱梁靜力位移如圖12所示。

圖11 換索工況主纜靜力位移

圖12 換索工況鋼箱梁靜力位移

分析可知，換索張拉引起的主纜和鋼箱梁位移會被實際車流的35 cm振幅的位移湮沒,施工中不能以橋面位移作為監(jiān)控指標(biāo)。在實際車流作用下，主纜和鋼箱梁位移具有高度一致性,吊索長度變化較小,換索張拉引起吊索長度變化較大,因張拉導(dǎo)致吊索長度變化規(guī)律明顯,可以采用吊索長度指標(biāo)監(jiān)控換索施工情況。

5 換索索力監(jiān)控分析

基于課題研究結(jié)論進行長吊索更換，索更換施工歷時47 d，順利完成換索任務(wù)。換索過程中選擇索力指標(biāo)進行監(jiān)測，現(xiàn)場采用錨索計和振動法聯(lián)合監(jiān)測索力，錨索計數(shù)據(jù)較為可靠。步驟4階段16#2吊索索力實測時程曲線如圖13所示，步驟6階段16#1吊索索力實測時程曲線如圖14所示(1根索有2個錨索計)。各階段因?qū)嶋H車流引起的索力振幅與理論分析一致，索力振幅不明顯,索力張拉信號特征清晰。通過監(jiān)測可知，更換索實測初始索力最大為937 kN，步驟4階段16#2新索實測索力為743 kN,步驟6階段16#1新索實測索力為821 kN，實測索力最小為503 kN，施工過程中實際索力一直未超運營期數(shù)值。毗鄰吊索實測初始索力為900 kN,換索期間索力最小為635 kN，因此永久吊索實測索力均遠小于《公路懸索橋設(shè)計規(guī)范》(JTG/T D65-05—2015)中的允許值(1 624 kN)。臨時吊索實測初始索力為560 kN,換索期間最大索力為731 kN，遠小于允許值。吊索和臨時索索力實測值接近理論值，理論值和實測值變化曲線較一致,實測值與理論值比值為0.89～1.28。更換索索力理論值與實測值曲線如圖15所示，臨時索和毗鄰索索力理論值與實測值曲線如圖16所示。

圖13 步驟4階段16#2吊索索力實測時程曲線

圖14 步驟6階段16#1吊索索力實測時程曲線

圖15 更換索索力理論值與實測值曲線

圖16 臨時索和毗鄰索索力理論值與實測值曲線

6 結(jié)論

通過全面分析和精細施工，在不封閉交通的情況下成功完成懸索橋單吊點局部無應(yīng)力拆裝換索工程。通過課題研究和現(xiàn)場實踐，得到以下結(jié)論。

(1)根據(jù)4種換索技術(shù)方案評價，選擇方案一(單吊點局部無應(yīng)力拆裝換索技術(shù)方案)作為長吊索換索方案。相比多吊點張拉換索技術(shù)方案，方案一換索時對結(jié)構(gòu)的影響小并且造價低，對少量吊索和高塔處吊索進行更換時更有明顯優(yōu)勢。

(2)結(jié)合單吊點局部無應(yīng)力拆裝換索技術(shù)思路，在方案一基礎(chǔ)上設(shè)計了換索工裝和工藝，并已將其成功應(yīng)用于懸索橋換索項目。

(3)通過實際車流時程分析，16#吊索與鋼箱梁同步位移協(xié)調(diào)性較好,吊索索力較穩(wěn)定，在不封閉橋面交通情況下可實現(xiàn)索銷軸拆除與安裝,較容易實現(xiàn)長吊索單吊點局部無應(yīng)力拆裝施工。

(4)在不封閉橋面交通情況下，通過實際車流時程分析，發(fā)現(xiàn)吊索索力和索長適合作為換索施工監(jiān)控指標(biāo)，橋面位移等指標(biāo)不適合作為監(jiān)控指標(biāo)。

(5)通過監(jiān)控分析可知，更換的吊索和臨時索索力實測值接近理論值，理論值和實測值變化曲線較一致,實測值與理論值比值為0.89～1.28，吊索實測索力均小于《公路懸索橋設(shè)計規(guī)范》(JTG/T D65-05—2015)中的允許值。