劉海寬，張會(huì)禮

(1.鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001； 2.河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，河南 鄭州 450015； 3.河南省禎祥路橋科技有限公司，河南 鄭州 450046)

本文以某獨(dú)塔混凝土斜拉橋換索為工程背景，分析索力變化對(duì)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)調(diào)整改善的影響；結(jié)合該橋舊索拆卸和新索安裝與張拉施工，研究斜拉索更換關(guān)鍵施工技術(shù)和要點(diǎn)；通過(guò)荷載試驗(yàn)對(duì)比，評(píng)判加固效果。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

某獨(dú)塔單索面混凝土斜拉橋于1997年建成通車(chē)，橋梁照片如圖1所示，其立面布置如圖2所示。該橋?yàn)樗汗探Y(jié)，塔梁均采用C50混凝土。主塔為鉆石型塔，承臺(tái)以上塔高64.31m，橋面以上塔高50.71m。橋梁跨徑(60+90)m，橫斷面全寬19m，梁高1.8m，主跨為混凝土單箱雙室截面，邊跨為實(shí)心混凝土截面，荷載等級(jí)為汽車(chē)-超20級(jí)、掛車(chē)-120。橋梁斜拉索為鍍鋅高強(qiáng)平行鋼絲索，標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度為 1 670MPa； 全橋共有24根斜拉索，拉索為單索面扇形布置，邊跨和主跨各設(shè)12根；拉索編號(hào)由主塔向外增大，其中邊跨索為B1～B12，主跨索為Z1～Z12。

圖1 橋梁照片

圖2 橋梁立面布置(單位：cm)

1.2 橋梁拉索病害

2014年對(duì)該橋進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)斜拉索普遍存在病害，具體表現(xiàn)為：①斜拉索梁上將軍帽及鋼套筒銹蝕嚴(yán)重，拉索梁端內(nèi)置減振器銹蝕嚴(yán)重；②梁端拉索錨固區(qū)錨杯、螺母和錨墊板等組件嚴(yán)重銹蝕，錨杯內(nèi)部油脂干枯，出現(xiàn)積水；③塔端拉索錨杯防護(hù)罩嚴(yán)重銹蝕，個(gè)別索導(dǎo)管附近混凝土脫落、拉索錨固齒塊邊角破損；④實(shí)測(cè)索力與設(shè)計(jì)偏差較大，其中90m跨側(cè)Z4索與原設(shè)計(jì)偏差33.4%，60m跨側(cè)B2索與原設(shè)計(jì)偏差-21.7%。斜拉索錨固端典型病害如圖3所示。為了保證橋梁安全運(yùn)營(yíng)，需對(duì)橋梁進(jìn)行大修，檢測(cè)建議為對(duì)全橋斜拉索進(jìn)行更換。

圖3 斜拉索梁上錨杯嚴(yán)重銹蝕

2 基于索力調(diào)整的結(jié)構(gòu)受力優(yōu)化

2.1 索力優(yōu)化調(diào)整

利用有限元軟件MIDAS/Civil建立橋梁計(jì)算模型，如圖4所示。主梁、主塔采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，斜拉索采用索單元進(jìn)行模擬。主梁共劃分40個(gè)單元，主塔共劃分92個(gè)單元，斜拉索共24個(gè)單元。橋梁模型在塔底固結(jié)，拉索和塔、梁之間采用彈性連接。計(jì)算采用的材料技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 材料技術(shù)參數(shù)

圖4 橋梁有限元模型

當(dāng)前橋梁索力與原設(shè)計(jì)偏差較大，結(jié)構(gòu)內(nèi)力與原設(shè)計(jì)狀態(tài)也出現(xiàn)較大偏差。按目前內(nèi)力狀態(tài)，在最不利荷載組合狀態(tài)下，中跨主梁底板拉應(yīng)力超限，且中跨主梁底板已產(chǎn)生裂縫。考慮到橋梁大修涉及的橋面鋪裝、欄桿和主梁加固將增加部分恒載，通過(guò)有限元計(jì)算對(duì)拉索型號(hào)和索力進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，將原抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1 670MPa的平行鋼絲索更換為抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 770MPa的斜拉索，調(diào)整前后恒載索力對(duì)比如表2所示。斜拉索采用從主塔向兩側(cè)逐對(duì)更換的施工方案，有限元計(jì)算模擬了施工過(guò)程。計(jì)算表明，換索過(guò)程中斜拉索最小安全系數(shù)為2.60，換索完成后斜拉索最小安全系數(shù)為2.71，使用階段斜拉索最小安全系數(shù)為2.52，斜拉索受力安全，均滿(mǎn)足要求。

表2 斜拉索索力優(yōu)化調(diào)整前后對(duì)比

2.2 主梁受力狀態(tài)調(diào)整

斜拉橋主梁為壓彎受力構(gòu)件，拉索更換施工過(guò)程中，主梁承受的壓力和彎矩不斷發(fā)生變化。施工過(guò)程中有限元計(jì)算顯示：①在橋梁舊索拆除后，該索錨固斷面主梁上緣出現(xiàn)明顯的壓應(yīng)力增量，下緣出現(xiàn)明顯的拉應(yīng)力增量；②在橋梁新索安裝張拉后，主梁應(yīng)力變化與拆除舊索呈現(xiàn)相反，即梁上緣出現(xiàn)明顯的拉應(yīng)力增量，下緣出現(xiàn)較明顯的壓應(yīng)力增量；③拉索更換對(duì)主梁應(yīng)力變化的影響范圍主要在該索兩側(cè)各3根索的梁段之內(nèi)，隨著與更換拉索處距離的增大，主梁上、下緣應(yīng)力變化幅度減??；④換索過(guò)程中主梁最大應(yīng)力均不超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，主梁應(yīng)力變化幅度和換索完成后主梁恒載應(yīng)力如表3所示。考慮運(yùn)營(yíng)最不利荷載組合工況，換索前后主梁的應(yīng)力狀態(tài)如表4所示，由表中數(shù)據(jù)可知，換索后主梁最大拉應(yīng)力減小，且不超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，主梁受力有所改善。

表3 換索過(guò)程中主梁應(yīng)力變化與完成后恒載應(yīng)力 MPa

表4 換索前后最不利荷載組合下主梁應(yīng)力 MPa

2.3 主梁與主塔位移

施工過(guò)程中有限元計(jì)算顯示：B9，Z9舊索拆除后，主梁Z9索錨固截面出現(xiàn)最大下?lián)?，最大撓度?37mm；在B9，Z9新索張拉完成后，Z9索錨固截面出現(xiàn)最大向上位移34mm，舊索拆除引起的主梁撓度基本恢復(fù)；換索施工完成后中跨主梁累計(jì)最大位移向下，位于Z9索錨固截面附近，最大下?lián)?-12mm； 換索施工完成后邊跨主梁累計(jì)最大位移向上，位于Z10索錨固截面附近，最大上撓8mm；換索過(guò)程中和完成后梁均不會(huì)發(fā)生較大位移。對(duì)于橋梁主塔，計(jì)算表明拆除舊索B12，Z12后塔頂最大偏位17mm，為偏向中跨側(cè)；換索完成后塔頂累計(jì)偏位為10mm，為偏向邊跨側(cè)；換索過(guò)程中和完成后主塔均不會(huì)發(fā)生較大偏位。

3 換索施工主要技術(shù)要點(diǎn)

3.1 舊索放張及拆卸施工

舊索拆除是換索施工的關(guān)鍵工序，影響換索工程實(shí)施。本橋舊索拆除采用張拉端(塔端)放張的拆除方案。換索前對(duì)全橋索力、線形進(jìn)行通測(cè)，作為施工控制的初始狀態(tài)。換索時(shí)對(duì)拆除索及周邊索實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)索應(yīng)力變化。拆除施工總體順序?yàn)椋喊惭b拉索下落限位支架→拆除原有拉索的減振塊及其他附件→安裝千斤頂與連接張拉桿→連接放索輔助牽引卷?yè)P(yáng)機(jī)→拆除錨圈→千斤頂逐步放張→將拉索及張拉端錨頭下放至橋面→拆除固定端(梁端)錨頭→將斜拉索切割成4～6m的小節(jié)段→汽車(chē)式起重機(jī)裝運(yùn)出橋面→清理錨孔并對(duì)索導(dǎo)管進(jìn)行防護(hù)處理，為下一步新索安裝做好準(zhǔn)備。

舊索拆除放張前，應(yīng)首先拆除原有拉索的減振塊及其他附件，包括塔端和梁端的防雨罩、保護(hù)罩與減振器等，然后將錨杯內(nèi)防腐油脂擦洗干凈，有銹蝕的部位做除銹處理，然后連接張拉桿對(duì)斜拉索放張。拉索放張前在塔外用索夾在索導(dǎo)管出口處采用抱箍緊箍拉索，并將抱箍吊耳與放索輔助牽引卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼絲繩連接。千斤頂張拉、放張時(shí)，先逐步張拉至拉索索力并超張1%，待螺母與墊板脫離時(shí)反旋螺母，同時(shí)用錘子沿螺母軸向和徑向輕敲。通過(guò)千斤頂?shù)?套工具錨反復(fù)張拉、放張，直到牽引卷?yè)P(yáng)機(jī)完全承受拉索自重，然后用牽引卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引拉索緩慢下放到橋面。為了保證塔梁受力均衡、對(duì)稱(chēng)，放索時(shí)對(duì)稱(chēng)成對(duì)進(jìn)行。

3.2 新索安裝及張拉施工

3.2.1塔端掛索施工

將成盤(pán)運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)的新索利用放索小車(chē)在橋面展開(kāi)，然后將拉索張拉端錨頭運(yùn)送至主塔底部，利用塔上安裝的起吊系統(tǒng)起吊拉索。如圖5所示，為避免施工對(duì)HDPE套造成破壞或損傷，且便于調(diào)整錨頭姿態(tài)，將拉索錨頭順利送入索導(dǎo)管入口，在張拉端錨頭處安裝3個(gè)臨時(shí)輔助索夾，其中2個(gè)并排安裝在索導(dǎo)管進(jìn)口位置，另一個(gè)安裝在距離錨頭約2m位置。臨時(shí)輔助索夾上設(shè)置吊環(huán)，起吊點(diǎn)與2個(gè)并排安裝的索夾吊環(huán)相連，通過(guò)手拉葫蘆使另一個(gè)索夾與起吊點(diǎn)形成三角形。安裝張拉千斤頂、撐腳等設(shè)備，并在塔端索導(dǎo)管上口安裝牽引倒拐支架，通過(guò)倒拐支架從索導(dǎo)管上口用鋼絲繩與錨頭上張拉桿的專(zhuān)用連接器連接，然后由卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引鋼絲繩向外拖拽錨頭。拖拽過(guò)程中可通過(guò)調(diào)整牽引倒拐支架拉桿長(zhǎng)度，使拉索通過(guò)索導(dǎo)管時(shí)處于中心位置。

圖5 塔端掛索施工

通過(guò)垂直起吊系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)同步作業(yè)，將拉索起吊至一定高度后停止，等待梁端錨頭安裝固定。梁端錨頭安裝固定后，再同步啟動(dòng)垂直起吊系統(tǒng)和卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引拉索。當(dāng)錨頭進(jìn)入索導(dǎo)管底口時(shí)，通過(guò)手拉葫蘆調(diào)整錨頭姿態(tài)，使其對(duì)中索導(dǎo)管中心，以便順利進(jìn)入索導(dǎo)管。當(dāng)張拉桿露出索導(dǎo)管上端出口時(shí)，及時(shí)安裝撐腳、連續(xù)快速作用千斤頂和對(duì)應(yīng)的工具錨、錨頭螺母等設(shè)備，在張拉桿頂部擰上錨頭螺母，完成軟牽引到張拉桿轉(zhuǎn)換。用千斤頂連接張拉作業(yè)，將錨頭張拉至露出索導(dǎo)管上口，然后將錨圈螺母旋入錨頭≥4圈螺牙，至此完成拉索塔端掛索施工。當(dāng)成對(duì)的2根索都掛索完成后，即可安裝2套張拉千斤頂，準(zhǔn)備進(jìn)入張拉施工階段。

3.2.2梁端掛索施工

梁端掛索前先清除索導(dǎo)管內(nèi)殘留的雜物和碎屑，將孔道內(nèi)的毛刺打平，并在索導(dǎo)管內(nèi)壁進(jìn)行除銹刷漆防護(hù)處理。在梁頂加工輕型三腳架，三腳架上安裝手拉葫蘆提升下錨頭入孔，并利用在梁上進(jìn)索位置安裝導(dǎo)向輪，使纜索入孔角度與預(yù)留孔角度一致，以確保拉索HDPE套不致被碰撞損傷。在梁底索導(dǎo)管下口用千斤頂索引出口，直至錨頭穿出錨墊板，擰上錨頭螺母?jìng)髁Φ藉^墊板。為保證梁上錨具和主梁錨具箱傳力可靠，新增設(shè)40mm厚鋼墊板，增設(shè)鋼墊板采用機(jī)械加工，保證兩面平整。

3.2.3新索張拉施工

斜拉索張拉統(tǒng)一采用塔上張拉，張拉力按監(jiān)控單位簽發(fā)的監(jiān)控指令對(duì)稱(chēng)分級(jí)張拉。拉索張拉時(shí)啟動(dòng)千斤頂油泵分級(jí)同步張拉，錨固螺母跟進(jìn)錨固，張拉力以換算油表壓力控制為主，按伸長(zhǎng)量對(duì)張拉力進(jìn)行復(fù)核。張拉達(dá)到分級(jí)控制力后，千斤頂持荷5min，然后擰緊錨固螺母；為彌補(bǔ)錨固索力損失，張拉到最終控制索力后，再進(jìn)行1%的超張，然后擰緊錨固螺母完成斜拉索張拉。每更換完1對(duì)索后，測(cè)試該對(duì)索及鄰近2對(duì)拉索索力的變化，并與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比。斜拉索全部更換完成、橋梁加固和附屬設(shè)施施工完成后，對(duì)索力、橋面標(biāo)高和索塔位移進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)量結(jié)果和施工監(jiān)控要求進(jìn)行索力調(diào)整，完成新索的張拉全部施工。

4 換索后橋梁改造效果分析

在施工過(guò)程中進(jìn)行了索力控制、主梁位移監(jiān)測(cè)、主塔偏位監(jiān)測(cè)和關(guān)鍵截面受力監(jiān)測(cè)，保證了加固改造設(shè)計(jì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。為了對(duì)換索加固改造效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，加固后對(duì)橋梁進(jìn)行了荷載試驗(yàn)檢測(cè)，并與換索加固前進(jìn)行了對(duì)比。

1)加固前90m跨控制截面應(yīng)變和撓度校驗(yàn)系數(shù)最大值分別為0.95，0.94，加固后分別減小為0.83，0.85；加固前60m跨控制截面應(yīng)變和撓度校驗(yàn)系數(shù)最大值分別為0.77，0.86，加固后分別減小為0.69，0.91。靜載試驗(yàn)結(jié)果表明，加固后橋梁承載力、整體抗彎剛度有較大提升。

2)動(dòng)載試驗(yàn)橋梁基頻測(cè)試結(jié)果顯示，加固后橋梁整體剛度明顯提升，加固前實(shí)測(cè)橋梁基頻為0.88Hz，加固后為0.98Hz。

3)通過(guò)新索索力調(diào)整，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)；換索施工過(guò)程中索力控制良好，實(shí)測(cè)成橋索力與設(shè)計(jì)最大偏差為8%，小于控制值±10%的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

以某獨(dú)塔斜拉橋換索為工程背景，通過(guò)換索施工的索力優(yōu)化調(diào)整改善了結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)。通過(guò)有限元法對(duì)施工步驟進(jìn)行模擬，驗(yàn)證了施工方法和步驟的合理性，換索施工過(guò)程安全可靠。結(jié)合施工條件，介紹了換索施工中舊索拆除和新索安裝關(guān)鍵技術(shù)，保證了換索施工的順利進(jìn)行。加固前后橋梁荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比顯示，換索加固完成后橋梁整體剛度增大，承載力有所提高。