大跨度懸索橋吊索更換優(yōu)化設(shè)計

胡小康，李邦映

(1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司,安徽 合肥 230088;2.公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

近年來，隨著交通事業(yè)的迅猛發(fā)展，我國修建了許多跨越大江、大河、海灣和峽谷的大跨度懸索橋。吊索是大跨度懸索橋結(jié)構(gòu)中重要承重構(gòu)件，也是對損傷最為敏感的構(gòu)件之一。考慮到吊索材料性質(zhì)、使用環(huán)境和施工等因素，空氣中氧化氣體以及雨水等進(jìn)入索體，易造成鋼絲的銹蝕；車輛荷載、風(fēng)荷載、溫度循環(huán)、雨振風(fēng)振等動力作用使索體鋼絲承受循環(huán)荷載作用，最終導(dǎo)致其疲勞失效；另外，吊索使用過程中還可能發(fā)生意外損傷(車輛撞擊、火損等)。因此，吊索的使用壽命低于橋梁的使用壽命，在橋梁運營過程中需根據(jù)損傷情況適時進(jìn)行更換[1]。

1 工程概況

大橋左汊主橋采用2×1 080 m三塔兩跨懸索橋，主纜分跨布置為：(360+2×1 080+360)m，采用兩跨連續(xù)體系，主梁與中塔柱及下橫梁采用塔梁固結(jié)體系。

吊索采用銷接式，吊索上端通過叉形耳板與索夾連接，下端通過叉形耳板與鋼箱梁上的錨板連接。吊索采用預(yù)制平行鋼絲束，鋼絲束外擠包8.0 mm厚雙護(hù)層PE進(jìn)行防護(hù)。鋼絲采用φ5.0 mm鍍鋅高強(qiáng)鋼絲，鋼絲標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度不小于1 670 MPa，單側(cè)吊點設(shè)置2根吊索。

經(jīng)檢查，大橋短吊索出現(xiàn)下護(hù)筒脫開現(xiàn)象，全橋共計10根。病害表征為上下銷軸中心間距增大，表明吊索長度出現(xiàn)增長現(xiàn)象，同時下錨頭護(hù)筒密封圈與錨杯間出現(xiàn)縫隙。

通過吊索解剖試驗，病害的主要表現(xiàn)為[2]：

(1)平行鋼絲表面鋅鍍層普遍銹蝕，表面出現(xiàn)10 cm左右的坑蝕，鋼絲銹蝕等級為2度。

(2)從密封性能看，上下套筒與錨杯連接位置處防水性能較差，其中下套筒與錨杯螺紋連接處出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象；上套筒與錨杯連接螺紋連接位置處銹蝕嚴(yán)重，且內(nèi)部鋼絲在連接位置處出現(xiàn)坑蝕現(xiàn)象。

(3)從鋼絲斷口分析：內(nèi)部鋼絲斷裂全都是由于銹蝕和疲勞應(yīng)力共同作用，破壞過程為：鋼絲出現(xiàn)局部坑蝕-斷面減小、材質(zhì)劣化-疲勞應(yīng)力作用-破壞面增大、局部鋼絲斷裂。

(4)襯套整體潤滑劑面積大于22%，但受壓區(qū)潤滑劑損失較為嚴(yán)重。

圖1 吊索典型病害

2 病害原因分析

出現(xiàn)病害的10根吊索均位于跨中處，且為短吊索，具有明顯的部位特征[3]。

(1)跨中短吊索區(qū)域車輛行駛等作用引起的橋梁豎向振動較為明顯，振幅也比較大，吊索在疲勞荷載的作用下，存在應(yīng)力反復(fù)變化的情況。同時，由于跨中吊索長度較短，其應(yīng)力對豎向位移極為敏感，在豎向反復(fù)的振動作用下，短吊桿應(yīng)力幅很高。因此，跨中短吊桿始終處在一個高應(yīng)力幅的疲勞荷載作用下，吊桿鋼絲容易產(chǎn)生疲勞破壞，反復(fù)的振動加速了吊桿護(hù)筒、下錨杯、鋼絲等位置的磨損。

(2)現(xiàn)場勘驗時發(fā)現(xiàn)，病害吊索上下叉形耳板與鋼箱梁錨板間無轉(zhuǎn)動痕跡(正常索轉(zhuǎn)動痕跡明顯)，同時下套筒與錨杯處出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。可能是銷軸與襯套卡死致使耳板不能正常轉(zhuǎn)動，吊索在疲勞荷載作用下彎折進(jìn)而使鋼護(hù)套脫開，造成錨杯內(nèi)進(jìn)水，鋼絲產(chǎn)生銹蝕。

綜上所述，病害原因經(jīng)分析認(rèn)為是在疲勞荷載作用下的短吊索在叉形耳板與銷軸不能轉(zhuǎn)動情況下，致使鋼護(hù)套脫開，防水性能失效，鋼絲在彎折和銹蝕作用下部分鋼絲斷裂。

3 吊索更換工況敏感性分析

為分析了解大橋的受力狀態(tài)，保證結(jié)構(gòu)安全與交通通行，進(jìn)行本次極端工況下吊索安全分析。

圖2 midas計算模型

3.1 工況選取

選取不同的吊索失效工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)的敏感性分析，驗證吊索更換對結(jié)構(gòu)的影響，選取的13個假定工況如下表所示：

表1 敏感性分析典型工況

3.2 主要計算結(jié)果

吊桿標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度為1670 MPa，對于長期運營狀態(tài)，吊桿安全系數(shù)應(yīng)不小于3.0，應(yīng)力不高于567 MPa；換索狀態(tài)下，吊索安全系數(shù)不小于1.8，應(yīng)力不高于928 MPa；對于短暫的臨時狀況，保證吊索的安全系數(shù)不小于1.5，應(yīng)力不高于1 113 MPa，結(jié)構(gòu)是安全的；對于理論的極限狀態(tài)，當(dāng)?shù)鯒U應(yīng)力達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1670 MPa時，吊索被拉斷。[3,4]

表2 各計算工況下主纜及主梁位移匯總表(單位：mm)

3.2 主要計算結(jié)論

(1)吊索失效后，導(dǎo)致與其相鄰的吊索受力大幅增大，不利情況下超出結(jié)構(gòu)強(qiáng)度將斷掉，繼而引起連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致相鄰的其他吊索逐漸出現(xiàn)應(yīng)力增加，超出結(jié)構(gòu)允許值時將依次失效，結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險大幅增加。

(2)單側(cè)3個相鄰吊點吊索同時失效時，吊索的安全系數(shù)將小于1.5，考慮吊索上下部連接位置處應(yīng)力集中等各種不利因素，結(jié)構(gòu)將更加危險。

表3 各計算工況下吊桿應(yīng)力匯總表(單位：MPa)

4 吊索更換設(shè)計

4.1 吊索設(shè)計

(1)新吊索規(guī)格與原設(shè)計保持一致，均采用109根φ5.0 mm鍍鋅高強(qiáng)鋼絲。

(2)索長：原則上吊索的銷軸中心線之間的長度保持不變，以成橋索力控制。

銷軸中心線之間的長度取值參考《竣工圖》，目前由于舊索索力與成橋索力可能有所差別，致使現(xiàn)狀的主梁標(biāo)高、主纜標(biāo)高與成橋標(biāo)高有所不同。因此，建議按照目前現(xiàn)狀吊索銷軸中心線之間的長度扣除彈性伸長量(吊索索力與成橋索力差值引起的)來作為吊索下料長度。

4.2 上下錨頭優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)病害調(diào)查及病害發(fā)生原因，對上下錨頭的構(gòu)造進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，下錨頭主要優(yōu)化內(nèi)容見表4[5]，優(yōu)化前后對比如圖3所示。

表4 下錨頭優(yōu)化設(shè)計匯總表

圖3 下錨頭優(yōu)化前后對比

上錨頭優(yōu)化內(nèi)容與下錨頭類似，不在贅述。

5 換索施工工藝

吊索更換的方式采用臨時索輔助卸載更換新吊索的總體方案。

圖4 短吊索更換示意圖

短吊索具體工藝流程如下：施工平臺準(zhǔn)備→臨時吊索系統(tǒng)安裝→臨時吊索系統(tǒng)張拉→舊吊索拆除→新吊索安裝→臨時吊索系統(tǒng)卸載→換索工裝拆除等。

6 結(jié)束語

本文通過對懸索橋吊索病害的原因分析，并針對性的優(yōu)化吊索上下錨頭構(gòu)造，提高吊索錨頭的防水性能，在一定程度上延長了吊索的使用壽命。