非洲地區(qū)懸索橋全吊索更換工程施工監(jiān)控技術(shù)研究

◎胡立光 寶軍 包剛剛 湯鵬勃 中交第二公路工程局有限公司

非洲地區(qū)部分國家因其獨(dú)特的歷史背景，早期橋梁多于二十世紀(jì)五六十年代由西方國家建造。時(shí)至今日，受限于欠發(fā)達(dá)的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)水平，以提高舊橋結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)并維持適度的通行能力為目標(biāo)的舊橋加固往往是當(dāng)?shù)卣畠?yōu)先考慮的選項(xiàng)之一。由于吊索系統(tǒng)的疲勞、銹蝕以及其他結(jié)構(gòu)病害不僅限制了橋梁自身的運(yùn)行功能，也為加固施工帶來一定的風(fēng)險(xiǎn)，研究一套匹配吊索更換施工方案的施工監(jiān)控方法并嚴(yán)格地在全吊索更換施工過程中貫徹執(zhí)行，是確保吊索更換施工平穩(wěn)進(jìn)行的關(guān)鍵。

1.工程概況

1.1 項(xiàng)目背景

SAVE河舊懸索橋位于莫桑比克伊尼揚(yáng)巴內(nèi)省與索法拉省交界，是一座長870m（120m+210m×3+120m）的四塔五跨懸索橋，橋面寬度11.6m，布置2條寬3.6m的車道和2條寬1.85m的人行道。該橋由葡萄牙的埃德加·卡多佐教授在20世紀(jì)60年代設(shè)計(jì)，建造時(shí)間為1969年至1972年。該橋橋梁結(jié)構(gòu)形式非常獨(dú)特，其設(shè)計(jì)表現(xiàn)為一座由三角式吊索體系支承并帶柔性混凝土梁的多跨懸索橋。

主纜的公稱直徑為190mm，吊索的公稱直徑為55mm，兩者均由鍍鋅平行鋼絲組成。全橋共328根吊索，吊索的上端通過索夾與主纜連接，下端交叉錨固在橫梁上。

該橋是莫桑比克交通主動脈EN1國道上跨越SAVE河的唯一橋梁，其設(shè)計(jì)使用壽命50年，目前已經(jīng)達(dá)到其設(shè)計(jì)運(yùn)營年限，該橋體系實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)者最初的構(gòu)想。在運(yùn)營41年后，該橋發(fā)現(xiàn)了一系列病害，其中尤以吊索銹蝕最為突出。經(jīng)過分析，出現(xiàn)上述情況的主要原因是長期重載交通的通行和維養(yǎng)的缺乏，也與建造年代所使用的材料、防護(hù)體系性能略低和計(jì)算手段有限等因素有關(guān)。

1.2 主要的病害特征

根據(jù)國內(nèi)設(shè)計(jì)院2017年的現(xiàn)場檢測結(jié)果以及葡萄牙Betar公司于2013～2014年對該橋進(jìn)行檢測所編制的檢測報(bào)告，發(fā)現(xiàn)橋梁存在的主要病害包括：橋面線形起伏、不勻順，主梁橫向高差，索夾滑移、銹蝕，吊索疲勞及銹蝕，吊索索力不均，混凝土梁的破壞，縱梁支座及橫向限位支座脫落、錯(cuò)位及失效，主纜等其他設(shè)施的病害等。

在上述病害中，橋面線形起伏、不勻順，主梁橫向高差、吊索疲勞及銹蝕（包含索夾滑移、銹蝕），吊索索力不均等是吊索更換所需要解決的主要問題。

吊索上錨固區(qū)主要病害為鋼構(gòu)件銹蝕、纏絲松動、索夾滑移等。下錨固區(qū)部分，原橋在吊索從外部進(jìn)入主梁的交界面處易形成積水，且基本未進(jìn)行防護(hù)，極易形成銹蝕，其中銹蝕嚴(yán)重的，已銹斷2/3，隨時(shí)有吊索斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。

由于吊索索夾的滑移及吊索的受力不均等原因?qū)е聵蛎婢€形的變化。

2.吊索更換的設(shè)計(jì)與關(guān)鍵施工方案

本次加固更換對象為除兩端剛性吊索外的全部吊索，共需更換328根。

2.1 新吊索的設(shè)計(jì)

新吊索采用現(xiàn)代較為先進(jìn)且常用的吊索構(gòu)造，設(shè)計(jì)由61根φ5mm平行鋼絲吊索組成，強(qiáng)度1860MPa，鋼絲外側(cè)采用PE護(hù)套防腐。

2.2 吊索更換的關(guān)鍵施工方案

（1）施工平臺及關(guān)鍵設(shè)施。吊索更換施工需要在主纜和橋面主梁下方進(jìn)行施工，對應(yīng)的施工平臺分別為騎跨主纜的主纜行走平臺以及支撐在橋面上的梁底行走小車。

吊索更換的關(guān)鍵設(shè)施是用來臨時(shí)承接、轉(zhuǎn)移橋面荷載的臨時(shí)吊索系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包含一個(gè)由液壓千斤頂構(gòu)成的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，上端為臨時(shí)索夾及其組件，下端為型鋼托梁，中間由精軋螺紋鋼傳力。臨時(shí)吊索系統(tǒng)的位置分別在同一個(gè)索夾的兩根吊索的橋面錨固點(diǎn)的正上方。

（2）全吊索更換流程。從整體上，吊索更換從橋梁一端的索塔向另一端的索塔施工。全橋共計(jì)4個(gè)索塔，呈南北布置，以每個(gè)主塔為中心共分為4個(gè)區(qū)，在每個(gè)區(qū)內(nèi)的吊索更換施工均對稱于主塔進(jìn)行同步施工。全橋共計(jì)投入12套臨時(shí)吊索，伴隨著換索的進(jìn)行，臨時(shí)吊索的安裝位置由主塔逐步向跨中方向移動。

（3）更換施工工藝。單次舊吊索更換施工的工藝流程為：設(shè)置臨時(shí)吊索→拆除原吊索→滑移索夾位置調(diào)整→安裝新吊索→新吊索錨固→錨管上端口防腐處理→下一處吊點(diǎn)換索施工。

3.全吊索更換施工監(jiān)控的基本思路

3.1 施工監(jiān)控的目的、必要性和原則

（1）施工監(jiān)控的目的。本橋結(jié)構(gòu)形式獨(dú)特，每根吊索更換施工過程中結(jié)構(gòu)體系將隨施工階段的不同而變化，結(jié)構(gòu)將經(jīng)歷兩次受力轉(zhuǎn)換過程。施工過程中須對橋梁結(jié)構(gòu)線形、應(yīng)力及索力等指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測控制，及時(shí)掌握結(jié)構(gòu)實(shí)際狀態(tài)，在必要時(shí)對施工步驟及控制條件做出調(diào)整，防止施工中的誤差積累，保證吊索更換過程中的結(jié)構(gòu)安全，確保吊索更換完成后橋面的線形和內(nèi)力狀態(tài)符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

（2）施工監(jiān)控的必要性。一方面，由于本橋新吊索是通過事先精確計(jì)算，再由國內(nèi)工廠制造后海運(yùn)到場，最后通過嚴(yán)格控制安裝誤差來保證其最終無應(yīng)力下料長度。施工中除采用墊片等方式進(jìn)行調(diào)整外，可用的措施非常有限。因此，考慮到吊索造價(jià)高和海運(yùn)周期長，在施工監(jiān)控的基礎(chǔ)上進(jìn)行吊索的無應(yīng)力長度計(jì)算是本工程中極為重要的環(huán)節(jié)。

另一方面，該橋涉及到橋面線形的調(diào)整，施工過程中隨機(jī)因素較多，它們都可能對施工過程中的安全和橋面最終線形造成影響。施工中的實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以通過施工實(shí)際荷載情況和監(jiān)測得到的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，找出結(jié)構(gòu)產(chǎn)生誤差的原因，通過以后各階段的各種可能的修正以使橋面最終狀態(tài)盡可能地逼近理想線形并保證施工過程中結(jié)構(gòu)的安全可靠。

（3）施工監(jiān)控的基本依據(jù)。在進(jìn)行該橋施工監(jiān)控方法研究時(shí)，需要基于該橋自身的客觀實(shí)際情況，進(jìn)行科學(xué)合理的分析以完善監(jiān)控方法的理論基礎(chǔ)。

1）橋面線形目標(biāo)調(diào)整值的確定原則。根據(jù)對既有舊橋資料的分析，在各跨跨中實(shí)測的規(guī)律性主梁上拱抬高很可能是在建造時(shí)即已形成。因此，本橋的線形調(diào)整目標(biāo)應(yīng)以目前橋梁起伏線形為基礎(chǔ)，避免對已接近設(shè)計(jì)使用壽命的橋梁進(jìn)行過大的擾動，同時(shí)又能使其每一跨的縱向線形達(dá)到勻順。

根據(jù)實(shí)測線形和原設(shè)計(jì)理論線形的對比，將各索塔位置恢復(fù)至原設(shè)計(jì)理論高程，并和兩側(cè)橋臺共同作為基準(zhǔn)點(diǎn)。兩個(gè)邊跨主梁大部分實(shí)測高程在原設(shè)計(jì)理論高程下方，因此邊跨的線形設(shè)定為直線連接橋臺與相鄰的橋塔主梁基準(zhǔn)點(diǎn)；三個(gè)中跨保持目前的起伏線形，跨中橋面標(biāo)高與索塔處主梁標(biāo)高高差設(shè)定為20cm，以余弦曲線形式過渡[1]。

2）吊索無應(yīng)力下料長度的確定原則。主纜的高程基本無法調(diào)整，但更換吊索的同時(shí)通過復(fù)位索夾可以使主纜回到初始受力狀態(tài)。假定滑移吊索在復(fù)位前后的吊索索力不變，因而主纜線形也不發(fā)生變化。因此，首先在溫度穩(wěn)定且空載的情況下，實(shí)測主纜線形及橋面線形；再根據(jù)實(shí)測橋面線形，擬合出調(diào)整線形后的橋面目標(biāo)線形；最后通過實(shí)測主纜線形、橋面目標(biāo)線形及設(shè)計(jì)院提供的吊索索力，結(jié)合空間幾何以及彈性公式即可計(jì)算對應(yīng)實(shí)測溫度下的吊索無應(yīng)力狀態(tài)下的下料長度。

考慮到現(xiàn)場的可操作性，該橋新吊索的無應(yīng)力長度計(jì)算是通過將吊索彈性可伸長部分的無應(yīng)力長度與吊索的構(gòu)造長度（非彈性伸長部分）相加得出。

3.2 施工監(jiān)控的基本方法、主要內(nèi)容和過程控制

（1）施工監(jiān)控的基本方法。通過設(shè)計(jì)院提供的計(jì)算索力、主纜線形及目標(biāo)線形確定吊索下料長度，并在換索過程中監(jiān)控吊索索力、主纜線形、橋面線形、索塔偏位及應(yīng)力。

（2）施工監(jiān)控的主要內(nèi)容。根據(jù)本橋加固設(shè)計(jì)要求，在吊索更換施工過程中，對梁體、主纜、吊索、索塔等關(guān)鍵部位的應(yīng)力、變形、內(nèi)力進(jìn)行監(jiān)測，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，指導(dǎo)施工控制[2]。

施工監(jiān)控的監(jiān)測內(nèi)容如下：

1）變形：橋面線形、主纜線形、索塔變形；

2）應(yīng)力：索塔控制截面處的應(yīng)力；

3）索力：全橋吊索索力及相應(yīng)的臨時(shí)吊索索力；

4）溫度：環(huán)境及結(jié)構(gòu)溫度。

（3）施工監(jiān)控的過程控制。

1）為實(shí)現(xiàn)換索目標(biāo)和結(jié)構(gòu)安全，施工監(jiān)控的工作內(nèi)容要與吊索更換施工全過程高度匹配。

2）施工監(jiān)控的過程控制要遵循科學(xué)流程，做好提前預(yù)測、過程中調(diào)整修正等工作，確保監(jiān)控過程的閉環(huán)。

4.施工監(jiān)控工作的開展

4.1 結(jié)構(gòu)變形監(jiān)控測點(diǎn)的布置和監(jiān)測方法

（1）主纜測點(diǎn)布置。在主纜上每個(gè)索夾位置處設(shè)置固定反光標(biāo)記，全橋共83對索夾，共166個(gè)測點(diǎn)，采用全站儀測量各點(diǎn)的三維坐標(biāo)，據(jù)此計(jì)算主纜各控制點(diǎn)的三維變形情況。

表1 SAVE河懸索橋吊索更換施工監(jiān)測工況和相應(yīng)的監(jiān)測內(nèi)容

圖1 施工監(jiān)控的簡要流程圖

（2）索塔測點(diǎn)布置。在每個(gè)索塔塔頂上下游各設(shè)1個(gè)測點(diǎn)，全橋4個(gè)索塔，共8個(gè)測點(diǎn)，采用全站儀測量各點(diǎn)的三維坐標(biāo)，據(jù)此計(jì)算索塔塔頂?shù)娜S變形情況。

（3）橋面線形測點(diǎn)布置。主梁橋面線形測量利用水準(zhǔn)測量的方法觀測橋面上已布設(shè)的橋面線形監(jiān)測點(diǎn)，如圖2所示，全橋橋面線形監(jiān)測點(diǎn)共計(jì)168個(gè)。

圖2 橋面線形測點(diǎn)布置示意圖

4.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力的測點(diǎn)布置和監(jiān)測方法

在每一座索塔的根部各布置6個(gè)應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)，全橋共4座橋塔，共計(jì)24個(gè)測點(diǎn)。每個(gè)測點(diǎn)處設(shè)置1個(gè)混凝土表面應(yīng)變傳感器，主要監(jiān)測索塔在施工過程中的應(yīng)力變化情況，再結(jié)合橋塔塔頂偏位，分析施工引起的索塔內(nèi)力變化情況。

本次結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測，擬采用振弦式表面應(yīng)變計(jì)及配套的自動化采集儀。

對于主塔應(yīng)力測點(diǎn)，采用混凝土式表面應(yīng)變計(jì)，具體安裝時(shí)，將測點(diǎn)附近混凝土表面打磨后，使用一段錨桿通過鉆孔的方式將傳感器的兩個(gè)端塊固定在混凝土表面，并在傳感器外側(cè)安裝保護(hù)盒[3]。

4.3 吊索索力的監(jiān)測

吊索索力是反映橋梁施工各階段受力狀態(tài)的重要指標(biāo)之一，索力測試與分析是施工監(jiān)測的重要內(nèi)容。本橋吊索更換施工過程中需監(jiān)測全橋328根吊索索力，采用振動法對新吊索索力進(jìn)行測試。

振動法測試吊索索力的基本原理是采集吊索在環(huán)境隨機(jī)振動激勵下的振動信號，通過頻譜分析得到其自振頻率，根據(jù)弦振方程以及吊索的固有計(jì)算參數(shù)（索長、單位索長質(zhì)量），計(jì)算分析索力。

5.結(jié)語

作為一座超齡懸索橋，莫桑比克SAVE河懸索橋的加固維修充滿了風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)。項(xiàng)目監(jiān)控團(tuán)隊(duì)因橋施策，開展了一系列的換索施工監(jiān)控方法研究，結(jié)合監(jiān)控施工的總體目的和橋梁病害的實(shí)際，項(xiàng)目監(jiān)控團(tuán)隊(duì)首先確立了科學(xué)合理的監(jiān)控原則，通過對橋面線形調(diào)整目標(biāo)值的確定和優(yōu)化為施工監(jiān)控打下基礎(chǔ)；接著以橋面線形和吊索索力為主要監(jiān)控對象，結(jié)合吊索更換施工工藝特點(diǎn)，在過程中落實(shí)對結(jié)構(gòu)物安全狀態(tài)的監(jiān)控，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步完成了對吊索無應(yīng)力下料長度計(jì)算的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了吊索更換的安全目標(biāo)和施工目標(biāo)，為同類型的超齡懸索橋全吊索更換施工的監(jiān)控積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。