国内外悬索桥主缆加固实例研究

2010-07-17严新江

山西建筑 2010年12期

严新江

近几十年来,随着交通事业的蓬勃发展,经过我国桥梁建设者的不懈努力,已经掌握了设计及修建各种桥型的能力。在悬索桥的设计、施工方面,我国虽然起步较晚,但发展很快,尤其是在20世纪80年代以后,我国的悬索桥建设更是突飞猛进,从世界上第一座钢筋混凝土自锚式悬索桥——大连金湾桥到世界排名第四位的江阴长江大桥,无不令世界瞩目。但随着我国交通事业的不断发展,各种车辆的荷载等级也有很大的提高,以及在风、雨、洪水、冰冻、温度变化和湿度等自然因素侵蚀下,有些悬索桥已出现不同程度的损伤,比如主缆松弛、吊杆应力过大的不均匀变化、主梁下挠等,甚至逐渐演变为危桥。对这类桥梁亟需加以检测维修,采取相应的技术改造措施以保证悬索桥的正常安全运营。

本文首先介绍了国内外此类悬索桥主缆检测与加固的现状,然后给出了世界各国对中小跨径悬索桥主缆加固的实践,最后建议今后的桥梁加固设计规范在一定情况下允许对主缆进行加固。

1 主缆检测与加固现状

一般认为悬索桥的主缆在适当的防腐工艺下和维护下,在运营期内可以满足使用要求。然而一方面在恶劣的自然环境,往往导致桥梁运营数十年后,主缆的实际状况很差,尤其是早期修建的悬索桥,由于在对主缆的保护上经验不足,保护漆失效,索股中的润滑油大部分蒸发,从而导致索股的腐蚀。另一方面,由于交通量或其他形式流量的日益提高,荷载等级提高后原有主缆安全系数将降低,安全系数不应低于规范的限值。目前,悬索桥主缆的加固方法有更换主缆、新增主缆和新增斜拉索等方式。其中,主缆的更换存在的最大问题是主缆是永久性锚固在锚碇里面的,不像斜拉桥的斜拉索在失效后可以很方便地进行更换。在国内,悬索桥主缆更换或新增尚未见诸报道,而且《公路桥梁加固设计规范》12.1.2[1]建议悬索桥主缆不宜更换或加强,主缆或锚碇承载能力不足时可降低荷载等级使用。国外进行主缆更换的有多米尼加共和国的Puente Duarte大桥[2]和法国的Aquitaine大桥[2]等,国内有对中小跨钢桁悬索桥新增斜拉索进行加固的实例。

2 主缆加固实例

2.1 更换主缆

Puente Duarte大桥新的主缆锚固在旧地锚后的新地锚上。新索鞍安装在跨过旧索鞍的附加结构上,这样在传递荷载时新旧主缆在垂直方向可相互通过,通过可调长度的临时吊杆将旧主缆向上拉,新主缆向下拉,使主缆达到设计位置,新索鞍将跨过旧索鞍。这种方案使新旧主缆在荷载转移时能在竖向移位,吊杆通过一个连接在现有索夹上的在竖向可以调节长度的临时杆件来传递荷载,以保证旧索能够升高,同时千斤顶设备可以把新主缆拉下来。最初的设想是当荷载传到新索时在锚碇中顶起旧索端部钢丝束,给新背索施力面释放旧背索应力。后来方案修改为向塔顶平移索鞍,通过相对新主缆把桁架位置上移来传递部分荷载,然后从索夹中分开钢丝束,允许它们从索鞍后面滑过以完成荷载传递,这样不用减小锚碇中索的应力(见图1)。

在1998年,法国Aquitaine大桥的监测显示主缆出现严重的锈蚀,决定更换主缆。原主缆将由横移桥面外2 m的新主缆所取代。桥面包括:20 m宽的车道、宽1.7 m的自行车道和两边设置的栏杆。通过固定在加劲梁上的加宽悬臂,将桥面接到吊索上(见图2)。吊索本身通过索卡固定在索夹上,另一端通过锚头固定在加劲梁上,为垂直设置。新主缆有回转功能。它由61根股绳组成,即55股正常股缆(φ 60 mm)和6股角股缆(φ 42 mm),以形成具有回转功能的形式。它们在原有的地锚外通过。经过散索鞍的偏移板托穿过锚固前梁,锚固在用先张预应力混凝土制作的锚固后梁上。新主缆同原主缆有着同样的标高。主缆在偏移板托切点处的标高及中跨的标高同原有的标高相同,只在塔顶处提高了44 cm。在桥塔顶部,新主缆同原主缆相比向外横移2 m。偏移板托的偏移量为2.73 m。

2.2 新增主缆

新增主缆可以有两种方式:1)在已有主缆的上方直接安装一个新的悬索,水平分力由位于已有锚碇两侧新的钢筋混凝土锚碇来承受。2)在平行已有主缆的边上增加主缆。

国外进行新增主缆来扩建桥梁的例子有跨越里斯本市塔古斯河的悬索桥[3],最后的设计是在原有主缆上方的3.7 m处设一根350 mm的新的平行钢丝索作为辅助主缆,在该主缆上设有由4股钢缆组成的吊索,各吊索的间距为23 m,与原有吊索交错(即每根新吊索的位置设在每两根原有吊索的中间),见图3。

2.3 新增斜拉索

该加固技术源于悬索斜拉组合受力体系,新增的斜拉索两头分别锚固在塔顶和加劲梁上,斜拉索产生的水平分力由加劲梁来承担,需同时对加劲梁进行加固。国内提出对已有简易悬索桥采用新增斜拉索进行改建设计的有福建建瓯市的慈口悬索桥[4](见图 4,图 5)。

大连理工大学桥梁工程研究所在大连小平岛圣岛大桥改造工程中[5],提出了斜拉—悬索协作体系方案,即在原有悬索桥的基础上增加斜拉索,以满足活载等级增加的要求,其立面如图6所示。新增斜拉索分三个索面,包括两个边索面和一个中索面。斜拉索在主跨内分为五束环氧涂层填充型钢绞线,每束为7φ 15.2(边索面)或 5φ 15.2(中索面)型。主桥主梁下新增设三道钢箱梁,钢箱梁梁高1.2 m,其中两道边梁,一道中梁,在原桥吊杆处用环氧涂层填充型钢绞线将混凝土梁和钢梁上下连接在一起。新增钢梁既可以增加主梁的承载能力,同时也抵抗新增斜拉索的水平力。