不中斷交通條件下斜拉橋試驗(yàn)索更換關(guān)鍵技術(shù)

石光輝

（重慶萬橋交通科技發(fā)展有限公司，重慶 400000）

0 引言

西南地區(qū)某特大橋主橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土單塔雙索面斜拉橋，全橋長1276.4m，主跨2×180.0m 布置。上部結(jié)構(gòu)為塔墩梁固結(jié)體系，全橋共112 根平行鋼絲斜拉索。主橋布置見圖1。

圖1 某特大橋主橋布置（單位：cm）

該橋已運(yùn)營近20 年，斜拉索接近設(shè)計(jì)使用壽命年限。橋梁定檢發(fā)現(xiàn)，該橋112 根斜拉索中，1 處下錨頭鋼絲墩頭嚴(yán)重銹蝕，5 處下錨頭鋼絲墩頭中度銹蝕，106處下錨頭鋼絲墩頭輕微銹蝕。定性判定結(jié)果表明，1 根拉索評(píng)定標(biāo)度為4，?PMCI?_l 為40.00；5 根拉索評(píng)定標(biāo)度為3，?PMCI?_l 為55.00；106 根拉索評(píng)定標(biāo)度為2，?PMCI?_l 為65.00。

綜上，大橋斜拉索系統(tǒng)部件技術(shù)狀況評(píng)分?PMCI?_i 為40.10，屬于4 類部件。

設(shè)計(jì)選取鋼絲墩頭嚴(yán)重銹蝕的1 根拉索和索力偏差最大1 根拉索進(jìn)行更換。將更換的斜拉索送試驗(yàn)檢測(cè)，評(píng)估斜拉索剩余使用壽命。

1 換索設(shè)計(jì)原則及目標(biāo)

（1）綜合結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)造價(jià)、施工便捷、加固后結(jié)構(gòu)可靠性及耐久性等因素[1]，達(dá)到以下維修加固設(shè)計(jì)目標(biāo)：拆除更換墩頭銹蝕嚴(yán)重的典型斜拉索及索力偏差最大的斜拉索，交由業(yè)主進(jìn)行斜拉索安全性檢測(cè)專項(xiàng)評(píng)估工作。經(jīng)論證如有必要時(shí)，對(duì)全橋斜拉索進(jìn)行更換，并進(jìn)行索力調(diào)整，以保證結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營。

（2）新索設(shè)計(jì)維持原舊索結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；新更換的拉索索力與舊索索力相等，并以橋面標(biāo)高不變?yōu)榭刂颇繕?biāo)。全橋斜拉索不再調(diào)整索力。

（3）新更換的斜拉索型號(hào)及錨具型號(hào)均與原設(shè)計(jì)保持一致。

（4）新?lián)Q拉索最終張拉力以拆除拉索時(shí)的千斤頂實(shí)測(cè)啟動(dòng)索力為準(zhǔn)。

（5）新在更換拉索期間，主梁應(yīng)力變化不得超過理論計(jì)算值的士20%，主梁變形不得超過理論變形土5mm，拉索索力不得超過理論索力的±5%。

2 拉索更換總體方案

在役斜拉橋一般都處于交通要道上，在不中斷交通條件下進(jìn)行部分斜拉索的更換已是大勢(shì)所趨。本橋試驗(yàn)索更換交通組織方式為占道施工。臨時(shí)措施在滿足占道施工條件下進(jìn)行布置。

斜拉索的張拉端設(shè)置在塔端，錨固端設(shè)置在梁端?？傮w更換順序按照先拆除短索再拆除長索。

舊索拆除順序：塔端放張→梁端拆除→塔端拆除。

新索安裝順序：橋面展索→塔端掛索→梁端掛索錨固→塔端張拉。

塔端放張及新索塔端掛設(shè)，因塔端索導(dǎo)管長度較短，全部采用硬牽引。使用塔頂?shù)跫茏鳛槠鸬踉O(shè)備。

梁端舊索拆除及新索掛設(shè)，使用卷揚(yáng)機(jī)反拉壓錨，并使用汽車吊配合作業(yè)。

斜拉索安拆主要臨時(shí)施工措施包括：塔頂?shù)跫?、塔?nèi)張拉平臺(tái)，梁端安裝平臺(tái)、橋面防護(hù)平臺(tái)。

3 施工準(zhǔn)備

3.1 拉索更換施工前應(yīng)復(fù)核的內(nèi)容

拉索更換施工過程中應(yīng)復(fù)核的內(nèi)容如下：①橋梁線形與設(shè)計(jì)值的偏差。②拉索索力及其長度與設(shè)計(jì)值的偏差。③拉索和錨固區(qū)域的實(shí)際構(gòu)造及病害情況。④斜拉橋相關(guān)構(gòu)件的病害情況。⑤新索與錨固構(gòu)造的匹配情況。⑥新舊索工具錨口的匹配情況。⑦拉索更換施工條件。⑧橋面通行交通狀況。

3.2 工裝設(shè)計(jì)與準(zhǔn)備

（1）塔頂?shù)跫?。塔頂?shù)跫苁撬藪焖骷皬埨瓩C(jī)具設(shè)備材料進(jìn)入塔內(nèi)的主要起吊設(shè)備。通常采用設(shè)置在橋面的卷揚(yáng)機(jī)通過轉(zhuǎn)向輪做為塔頂?shù)跫艿钠鸬鮿?dòng)力[2]。

塔頂?shù)跫芤话阍O(shè)計(jì)為桁架形式，除具有足夠的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性外，還應(yīng)重點(diǎn)保證塔頂?shù)跫芘c塔頂混凝土的錨固性能。圖2 為塔頂?shù)跫堋?/p>

圖2 塔頂?shù)跫?/p>

（2）塔外掛籃及橋面防護(hù)平臺(tái)。塔外掛籃主要為塔端掛索及塔端索導(dǎo)管中內(nèi)置減震器安裝提供作業(yè)平臺(tái)。為保證橋面作業(yè)人員及通行車輛安全，在橋面拉索塔端施工影響區(qū)域范圍內(nèi)搭設(shè)橋面防護(hù)平臺(tái)。

（3）張拉千斤頂。張拉千斤頂不小于設(shè)計(jì)張拉力的1.5 倍。千斤頂使用前應(yīng)進(jìn)行校驗(yàn)[3]。

（4）張拉撐角、變徑螺母及張拉桿。張拉撐腳高度確定時(shí)，應(yīng)滿足最大規(guī)格斜拉索張拉到最大錨杯外露量時(shí)的空間要求[3]。張拉桿長度選擇時(shí)應(yīng)綜合考慮塔內(nèi)張拉空間和塔端錨杯下放距離。塔端錨杯下放距離滿足下放后拉索承受的張拉力小于梁端設(shè)備能提供的壓錨力。圖3 為硬牽引及張拉系統(tǒng)。

圖3 硬牽引及張拉系統(tǒng)

（5）其他主要機(jī)具設(shè)備：放索盤、展索小車、卷揚(yáng)機(jī)、索夾、吊裝帶等。

4 斜拉索安拆工況索力分析

施工前應(yīng)根據(jù)索長、索重、斜度和風(fēng)力等因素，計(jì)算拉索在安裝時(shí)錨頭距索管口不同距離以及滿足錨環(huán)支承時(shí)的牽引力。

假設(shè)斜拉索鋼絲精下料長度為L，塔、梁兩端索孔錨板中心的幾何距離L0，梁端錨杯分絲板墩頭到錨墊板距離為ΔL 梁，塔端錨杯分絲板墩頭到錨墊板距離為ΔL 塔，在牽引力T 作用下，其彈性伸長量為TL/EA，垂度影響的伸長量近似為-ω2LX2L0/（24T2），因此可得：

ΔL 塔+ΔL 梁=L－L0－（ω2LX2L0）/（24T2）+TL/AE；

（24L/AE）T3+24×（L－L0－ΔL 塔－ΔL 梁）T2－ω2LX2 L0=0。

其中：ΔL 梁——梁端分絲板墩頭到錨墊板距離（拉出時(shí)為正值）；ΔL 塔——塔端分絲板墩頭到錨墊板距離（拉出時(shí)為正值）；L——斜拉索鋼絲精下料長度；L0——塔、梁兩端索孔錨板中心的幾何距離；ω——斜拉索單位長度重量；LX——L0的水平投影長度；T——牽引力；A——鋼絲截面面積；E——彈性模量。

此公式是變量為T 的一元三次方程，通過盛金公式求解一元三次方程，并采用Excel 編寫計(jì)算程序，從而求出各工況斜拉索安裝索力T。圖4 為拉索索力計(jì)算。

圖4 拉索索力計(jì)算

5 舊索拆除

5.1 舊索拆除工序

舊索拆除工序?yàn)椋核藦埨到y(tǒng)安裝→起始拆索力測(cè)定→塔端錨杯下放→梁端壓錨松錨頭→梁端拆除→塔端拆除。

5.2 塔端放張，張拉端錨杯下放

使用塔端硬牽引張拉系統(tǒng)放張舊索，放張前應(yīng)拆除內(nèi)置減震器、清除索導(dǎo)管內(nèi)填充物。張拉啟動(dòng)舊索后，按照計(jì)算所需長度將錨杯下放至索導(dǎo)管內(nèi)。

拆除前使用退錨劑要提前一天對(duì)錨頭進(jìn)行灌注，留足時(shí)間來供退錨劑產(chǎn)生作用。

舊索拆除啟動(dòng)后，測(cè)定啟動(dòng)索力。檢查無異常后千斤頂緩慢回油，分5 級(jí)將斜拉索索力放張。每一級(jí)索力分別為啟動(dòng)索力的90%、80%、60%、30%、直至斜拉索索力小于15t。在每一級(jí)放張到位后持荷5min，測(cè)量錨杯或張拉桿向索導(dǎo)管內(nèi)回縮量，并讀取監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)，如出現(xiàn)異常應(yīng)立即停止放張。

5.3 梁端及塔端拆索

使用設(shè)置在橋面的卷揚(yáng)機(jī)反拉舊索，使錨頭部分松脫拆除錨環(huán)，然后逐步將拉索錨杯從梁端索導(dǎo)管內(nèi)退出。

梁端拆除后，將塔端錨頭下放至索導(dǎo)管外緣，接觸硬牽引與錨杯連接，使用塔頂?shù)跫芟确判崩髦翗蛎妫瓿膳f索拆除。圖5 為梁端放索。

圖5 梁端放索

5.4 啟動(dòng)索力測(cè)定

精確測(cè)定拆索啟動(dòng)索力，是確定新索終張拉力的關(guān)鍵[4]。肉眼對(duì)于舊索索力啟動(dòng)的瞬間較難判定，本項(xiàng)目采用在塔端設(shè)置百分表，建立百分表位移與千斤頂油表讀數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，找出舊索啟動(dòng)瞬間的油壓表讀數(shù)，從而精確確定起始索力。

舊索啟動(dòng)張拉瞬間油表會(huì)急劇上升到超大值，在停止張拉保壓時(shí)會(huì)回落，以保壓讀數(shù)為準(zhǔn)。

6 新索安裝

6.1 新索安裝工序

新索安裝工序?yàn)椋簶蛎嬲顾鳌藸恳了鲗?dǎo)口→連接硬牽引→塔端錨杯入索導(dǎo)管臨時(shí)錨固→梁端穿索錨固→塔端張拉→錨頭防腐及附件安裝。

6.2 斜拉索張拉

拉索張拉的順序、級(jí)次數(shù)和量值應(yīng)符合設(shè)計(jì)和施工控制的規(guī)定；張拉宜以測(cè)定的索力或油壓表量值為準(zhǔn)，以延伸值作為校核。

張拉用的千斤頂與壓力表應(yīng)配套標(biāo)定、配套使用。

斜拉索張拉分3 階段，每個(gè)階段的張拉力分別為啟動(dòng)索力的50%、80%、100%，操作設(shè)備張拉到達(dá)每階段索力時(shí)，應(yīng)暫停持荷5min。

斜拉索張拉時(shí)，應(yīng)根據(jù)施工監(jiān)控指令分5 級(jí)張拉，按照最終索力的30%、60%、80%、90%、100%分級(jí)，每級(jí)持荷5min。

6.3 斜拉索錨頭防腐

斜拉索錨頭防腐設(shè)計(jì)及防腐施工質(zhì)量直接影響斜拉索后期腐蝕狀況，進(jìn)而影響使用壽命。從本橋的舊索狀況來看，防腐施工質(zhì)量好錨頭外觀質(zhì)量明顯要好很多，應(yīng)充分重視錨頭防腐施工質(zhì)量。

7 結(jié)語

（1）錨頭防腐的施工質(zhì)量與拉索的腐蝕狀態(tài)密切相關(guān)。

（2）斜拉索索力監(jiān)控應(yīng)在夜間封閉狀態(tài)下測(cè)量，減少通行車輛干擾。

（3）新索索長確定理論計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)合。

（4）新索終張拉值的確定應(yīng)將舊索的啟動(dòng)力與設(shè)計(jì)理論值比較綜合確定，以橋面標(biāo)高作為校核。

（5）頻率法實(shí)測(cè)拉索索力偏差約10%，使用千斤頂實(shí)測(cè)相對(duì)準(zhǔn)確。千斤頂實(shí)測(cè)數(shù)值使用穩(wěn)壓狀態(tài)下讀數(shù)。

（6）根據(jù)塔內(nèi)張拉空間及斜拉索伸長量選擇使用軟牽引或硬牽引。硬牽引安全性高，但若索導(dǎo)管較長所需張拉桿長度大，較笨重；軟牽引適應(yīng)范圍廣，操作復(fù)雜。