超高強度鋼絞線拉索在舊橋換索中的設計應用

朱 元，李 翔，韋耀淋，吳勇翔

（柳州歐維姆機械股份有限公司，廣西 柳州 545006）

0 引言

鋼管混凝土拱橋吊桿在20世紀90年代開始得到了廣泛應用，隨著經濟快速發(fā)展，橋梁的承載也隨之增大，并帶來一系列的問題。由于我國八九十年代拉索設計技術水平有限，基本上都是在現(xiàn)場采用平行鋼絲墩頭制錨，并在套管內灌注水泥砂漿對鋼絲進行防腐，這一措施導致拉索防腐能力差、使用年限短。

近年來隨著交通流量的不斷增大，超載現(xiàn)象嚴重，更是加快了吊桿的損壞，特別是拱腳附近的幾個短吊桿損壞更加明顯。普遍存在吊桿位置錯位以及PE開裂、吊桿鋼絲銹蝕、吊桿上下錨頭銹蝕等現(xiàn)象，這些問題造成吊桿使用壽命普遍在10年左右。因此需要定期對鋼管拱橋的吊桿進行檢查檢測，以便及時更換破損吊桿以延長吊桿使用壽命。

在施工過程中存在如下問題，導致吊桿無法順利更換：

（1）20世紀之前的拱橋吊桿大多數(shù)采用鋼絲墩頭吊索，拱肋及系梁內預埋孔道較小，且橫梁結構尺寸小，無法擴孔，目前這種產品已經停產。

（2）因孔道內灌注混凝土導致管道清理困難。

（3）目前市場上的新吊桿為成品索結構，因吊桿錨頭尺寸大于原預埋管孔道無法更換。

在這種情況下，常規(guī)的更換方案為以下幾種：

（1）采用鋼拉桿吊桿方案，但鋼拉桿存在剛度太大、疲勞性差、防腐難度高、使用壽命短的風險和不足之處。

（2）鋼絲冷鑄墩頭錨方案，這種吊桿結構錨頭尺寸大，只適合預埋孔道大的結構中，因此在舊橋吊桿中都是預埋管孔道偏小，無法穿過冷鑄錨頭，除非破壞橋梁結構的原有孔道才有可能實現(xiàn)換索要求，如果采用這種方式很容易造成損傷橋體的風險，且造價費用大。

針對目前存在的工況，急需研發(fā)出一種既可快速更換舊吊桿、無須破壞橋梁原結構體、性能更可靠、使用壽命更長，且施工周期短、成本低的新型拉索。

目前超高強度鋼絞線已經成功運用于橋梁結構工程中，如果可以開發(fā)出一種采用超高強度鋼絞線制作的拉索，通過提升單根鋼絞線的承載能力，降低鋼絞線的用量，縮小鋼絞線拉索的結構尺寸來替換舊吊桿，就可以解決以上存在的問題。楊帆[1]等人在對鋼絞線整束擠壓拉索在舊橋換索工程中的運用的研究論文中，提出了鋼絞線擠壓拉索的設計原則和拉索結構的創(chuàng)新帶來的換索好處。

1 工程概況

濟南順河高架橋于1998年建成通車（見圖1）。橋梁全長90m，橋面全寬25.5m。上部承重構件為90m的鋼管混凝土拱肋，左右各一片，拱肋斷面為桁架式，由4根鋼管組成，鋼管內部灌注50號混凝土。兩側拱肋之間設置4道一字式桁式橫撐。每側拱肋下有16根吊桿，拱肋拱腳間設4根系桿。跨越膠濟鐵路線采用90m的下承式鋼管混凝土剛架系桿拱橋，下部結構型式為墻式橋臺，鉆孔灌注樁基礎。橋面由預應力混凝土預制橫梁、現(xiàn)澆連續(xù)橋面板組成，瀝青混凝土橋面鋪裝，毛勒式伸縮縫。

圖1 濟南順河高架橋

全橋共有32根吊桿，所有吊桿都存在不同程度的表觀病害，有劃痕刮傷、涂層起皮、燒痕凹陷等。21根吊桿上錨頭漏油現(xiàn)象較為嚴重，23根吊桿下錨頭漏油現(xiàn)象較為嚴重。吊桿系統(tǒng)典型的病害如圖2和圖3所示。

圖2 拉索滲漏現(xiàn)象

圖3 錨頭生銹

針對上述情況，且原墩頭鋼絲吊桿市場已經被淘汰，必須在當前市場上尋找一種錨頭尺寸能夠適用于工程要求的新拉索體系進行更換，以確保工程能夠適應惡劣環(huán)境并提高吊桿防腐能力和提升拉索的承載功能。

2 吊桿更換方案選擇

拉索分類及主要技術參數(shù)對比見表1。

2.1 常規(guī)方案對比

表1 常規(guī)吊桿參數(shù)對比

通過對以上吊桿結構參數(shù)進行分析對比可以看出，其中LZM型鋼絲吊索為成品索結構，夾片式鋼絞線為單根平行鋼絞線拉索（非成品索）,GLG型為高強鋼拉桿結構。只有GLG型鋼拉桿吊桿才可以通過內徑為134mm的原預埋管孔道。

因原墩頭錨吊桿結構目前市場已經淘汰停產，如果采用鋼拉桿結構，由于鋼拉桿剛度大、疲勞差、防腐差，容易發(fā)生腐蝕，不適應吊桿的自由擺動糾偏結構需求，安全性較差。另外，石偉[2]等人針對大直徑鋼拉桿的機械性能進行了研究，提出了鋼拉桿在吊桿中運用存在工藝上的缺陷或不成熟的地方，會帶來一些隱患，因此采用鋼拉桿的方案被否決。如果采用LZM型鋼絲冷鑄錨，錨頭結構尺寸偏大，必須對孔道進行擴孔才可能滿足安裝要求。但該項目工況比較復雜，不允許進行擴孔，因此這一方案也不能滿足吊桿更換需求。為確保修補工程能夠順利實施，必須開發(fā)一種新型的超高強度鋼絞線整束擠壓拉索來實現(xiàn)快速換索。

2.2 新設計方案開發(fā)

在該項目中，如果采用OVM.GJ型鋼絞線整束擠壓拉索體系[3]，對應1860MPa級15.2mm的鋼絞線整束擠壓拉索，至少需要18根鋼絞線，其錨頭尺寸為150mm，仍然無法通過預埋管。因此考慮到原橋梁設計方案，長吊桿實際載荷為1015kN，原吊索有4.5倍的安全系數(shù)要求（設計富余度大）。如果能將長吊桿的安全系數(shù)調整至3.5倍以上，但仍然滿足橋梁規(guī)范設計要求，則可按照1860MPa級15.2mm的鋼絞線換算索力，鋼絞線拉索根數(shù)仍需14根，但是1860MPa級別的擠壓拉索體系目前只有15孔的，錨頭尺寸為140mm，而原預埋孔道為134mm，還是無法通過原預埋管。

根據(jù)GJ型鋼絞線整束擠壓拉索產品的基本原理進行優(yōu)化設計，提高其錨固夾持能力來實現(xiàn)對超高強度級別的鋼絞線即2200MPa級鋼絞線進行錨固夾持。為了開發(fā)這個強度級別的鋼絞線整束擠壓拉索產品，歐維姆公司黃穎[4]等人通過對原GJ型產品進行升級研究，取名為GJ15B型超高強度級鋼絞線整束擠壓拉索。針對以濟南順河高架橋項目為例的類似項目，結合設計要求開發(fā)了GJ15B-12型2200MPa級15.2mm的吊桿產品作為長吊桿替換DM5-151型鋼絲吊索。

GJB15型鋼絞線吊索結構如圖4所示。

圖4 GJ15B型鋼絞線整束擠壓拉索

此結構主要是在GJ15型鋼絞線整束擠壓吊索錨固結構上的升級設計改進，其研發(fā)技術要求主要是以下幾點：

（1）提升錨固結構的夾持性能，能夠保證其靜載錨固效率不小于95%。

（2）改善吊索的疲勞穩(wěn)定性能，提升其疲勞壽命。

（3）通過采用超高強度鋼絞線制作成整束擠壓拉索體系，在同等承載力拉索結構上，可以將錨固套的直徑相對縮小14%，更方便原預埋孔道小的工況下實現(xiàn)換索。

（4）拉索組件的疲勞性能滿足0.4fptk應力上限，200MPa應力幅，200萬次的疲勞。

2.2.1 方案改進措施

由于鋼絞線抗拉強度的提高，對錨固套的夾持握裹能力提出更高要求，常規(guī)的錨固套無法滿足性能要求，2200MPa鋼絞線的強度比1860MPa提高340MPa，即單根鋼絞線極限拉力提高47.6kN，如果仍采用現(xiàn)有錨具，則錨固效率只有90%～93%，故需要對拉索錨固結構進行優(yōu)化，以實現(xiàn)高強鋼絞線的錨固效果[3]。具體優(yōu)化措施如下：

（1）改善錨固套的握裹長度，通過延長有效夾持段的長度來增加握裹力。

（2）改善錨固套端部的楔形夾具，通過改變楔形角度來實現(xiàn)增強握裹力。

（3）增加錨固套的徑向擠壓力來實現(xiàn)對鋼絞線的夾持。

2.3 新方案試驗驗證

2.3.1 靜載試驗驗證

通過對錨固套的改進設計和輔助夾持零部件進行了調整，保證拉索滿足《預應力筋用錨具、夾具和連接器》（GB/T14370—2007）的相關要求。試驗論證結果見表2，對GJ15B-12型、GJ15B-19型鋼絞線擠壓拉索靜載試驗如圖5和圖6所示。

表2 GJ15B型拉索靜載試驗數(shù)據(jù)

圖5 GJ15B-12型靜載試驗

圖6 GJ15B-19型靜載試驗

通過以上三組型號的錨索各進行了三組靜載試驗可以看出，錨固套完全能夠夾持住2200MPa級的鋼絞線，并且各指標參數(shù)符合標準的要求。

2.3.2 疲勞性能驗證

疲勞性能的驗證試驗完全采用濟南順河高架橋項目使用的12孔吊索規(guī)格作為1∶1試驗，試驗標準參考《斜拉橋熱擠聚乙烯高強鋼絲拉索技術條件》（GB/T18365—2001），滿足應力上限 0.4fptk，應力幅250MPa，疲勞次數(shù)200萬次[3]。疲勞試驗依據(jù)見表3。

針對這次疲勞試驗，對如何提高疲勞性能在結構上和握裹密封材料上分別進行了改進，采用環(huán)氧砂漿替代了聚氨酯材料，并在錨索結構上增加了延長密封裝置[5]。

表3 GJ15B-12疲勞試驗依據(jù)

3 順河高架橋項目吊桿更換

3.1 吊桿更換流程

搭建兜吊系統(tǒng)—轉換舊吊索力至兜吊系統(tǒng)—割除舊鋼絲索—清楚預留孔道—新吊桿安裝索力轉換—調索封錨。

3.2 兜吊系統(tǒng)設計

該項目由于鋼管拱肋嚴重生銹，且地處高鐵鐵路上面，不允許在拱肋上進行焊接操作，因此無法在拱肋上端進行焊接搭接兜吊轉換體系支撐結構。根據(jù)拱肋結構情況，項目組發(fā)明設計了一套抱箍式夾持體系作為作業(yè)平臺，如圖7和圖8所示。

利用抱箍對鋼管拱肋的摩擦夾持，通過高強螺栓鎖死兩半式抱箍，再將兜吊平臺固定在抱箍頂面，從而實現(xiàn)將舊吊桿索力轉換至兜吊系統(tǒng)上。

圖7 拱肋抱箍結構

圖8 拱肋兜吊體系

3.3 新吊桿安裝

兜吊系統(tǒng)轉換索力后，將新吊索從橋面往拱肋預埋管穿入，通過葫蘆和吊車工具將新吊索牽引提升至拱肋處，穿入球墊并鎖死螺母在錨頭固定位置。吊桿安裝如圖9所示。

圖9 新吊桿安裝圖

4 結語

通過開發(fā)超高強度的鋼絞線拉索產品，可以使得拉索結構尺寸更加緊湊，在同等數(shù)量的鋼絞線產品體系中可以承受更大的承載力，從而可以降低鋼絞線重量在橋梁結構中的占比，拉索錨頭結構尺寸可以相對縮小14%以上，實現(xiàn)對橋梁結構體系起到優(yōu)化設計的促進作用。另外超高強度鋼絞線整束擠壓拉索體系錨頭尺寸小，可以在舊橋換索中實現(xiàn)避免擴孔帶來損害橋體結構的風險，解決了換索施工難度大、舊吊桿孔道小的工況下無法換索的問題。

參考文獻：

[1]楊帆，朱萬旭，黃穎，等.鋼絞線整束擠壓拉索在拱橋吊桿換索中的設計及應用[J].廣西工學院學報，2012，23（S1）：107-111.

[2]石偉，彭春陽，李華萍，等.熱處理對大直徑鋼拉桿機械性能的影響研究[J].廣西工學院學報，2012，23（S1）:17-23.

[3]JT/T850—2013，擠壓錨固鋼絞線拉索[S].

[4]黃穎，朱萬旭，楊帆，等.鋼絞線整束擠壓式拉索錨具抗滑性能的試驗研究[J].預應力技術，2008（6）:7-9.

[5]朱元，秦浩，韋耀淋，等.鋼絞線擠壓錨固夾持結構的優(yōu)化研究[J].城市道橋與防洪，2017（3）:241-244.