斜拉悬吊协作体系桥梁拉索更换技术

卫红蕊 盖轶婷 赵成功

摘要：由于斜拉悬吊协作体系桥梁索结构的锈蚀、断裂等病害会严重影响桥梁结构的安全性和耐久性，通过对乌江大桥拉索更换工程的跟踪，重点探索和研究了斜拉悬吊体系桥梁拉索更换的相关技术要领和监控方法，为斜拉悬吊协作体系桥梁拉索或吊索的正确、及时更换，以及该桥型的设计和加固维修提供参考依据。

关键词：桥梁；斜拉悬吊体系；加固与维修；拉索更换

中图分类号：U445.7文献标志码：B 文章编号：1000033X（2016）06007904

0引言

斜拉悬吊体系桥梁是结合了斜拉桥和悬索桥的特点，采用拉索和吊索结构，以斜拉索将桥塔两边约1/4主跨的长度支撑起来，中部由悬索吊住的一种新桥型。同其他桥型相比，该桥型除具有明显的非线性特点外，还因斜拉与悬吊交界区域的存在使得受力更加复杂，而目前有关该桥型的研究较少，也缺少工程经验[12]。当桥梁运营多年后，受各种因素的影响，其结构线形和受力偏离原来的设计，索结构锈蚀需要更换时，考虑如何利用换索对偏离原设计状态的情况进行纠正十分重要。

鉴于该种桥型的复杂性与特殊性，本文依托贵遵公路乌江大桥拉索更换工程，重点探索和研究斜拉悬吊体系桥梁拉索更换的相关技术要领和监控方法；总结斜拉索的更换技术，并通过与工程实践的结合，证明该施工方案及监控方案的合理性与适用性；同时开发出一种专门用于箱梁加固的步履式梁底工作平台，对推广这种结构体系的桥梁具有重要意义，也为类似桥梁的换索施工技术积累经验并提供参考。

1工程概况

乌江大桥是中国首座狄新格体系的斜拉悬吊协作体系桥梁，也是国内外首次采用PFC（预应力钢纤维混凝土）建造的预应力混凝土加劲特大跨桥梁，桥梁概况见图1、2。

根据相关检测结果可知该桥的斜拉索存在如下病害。

（1）全桥3根斜拉索各有一股钢绞线发生破断，其中有1根斜拉索在该桥已经实施限载、限速通行后发生断裂，这种突发性破断说明大桥运营已经存在较大的安全隐患。

（2）约20%的斜拉索护套老化、破损较为严重，钢绞线外露、锈蚀，对结构的安全性和耐久性已造成严重影响。

（3）部分拉索实测索力值与设计索力值偏离较大，最大偏差为理论设计值的35.5%。

综上所述，乌江大桥斜拉索体系存在严重问题，急需更换。

2换索原则及换索顺序

2.1斜拉索换索原则

既有桥梁的换索工程同新建工程有显著差别：新建桥梁的斜拉段部分和悬索段部分是同步施工，经过结构体系转换达到成桥状态下的结构内力平衡；而换索工程则是在既有成桥的结构平衡状态上仅对斜拉索进行更换，是在成桥体系状态下由内力变化而达到新的平衡的过程。因此，换索工程在设计方法、计算模式、施工工艺以及施工控制等方面都有独特之处[34]。该桥施工方案中斜拉索的更换过程遵循以下原则。

（1）斜拉索更换需要以全桥反对称、单塔对称的方式进行，确保主塔两侧索力基本平衡。

（2）由于加劲梁跨中位置的下挠和畸变，换索应尽量在不改变桥梁整体结构受力状况的条件下进行，并在桥面铺装更换完成后对新换拉索内力与吊杆内力同步进行调整，以保证桥面线形平顺以及结构工作状态的连续和统一。

（3）由于斜拉悬吊过渡区附近的加劲梁内力和变形同时受斜拉子体系和悬索子体系的影响，换索过程中受力变得复杂，因此在换索过程中应加强对过渡区加劲梁的受力行为监控。

（4）换索过程中应以斜拉索索力监测为主，同时兼顾加劲梁的变形测量，并采取措施避免日照变化对换索控制的影响。

（5）更换后的斜拉索应具有可调、可控、可换等特点，方便后期的维护管养。

（6）为安全考虑，换索过程中需封闭交通。

2.2斜拉索换索顺序和工艺流程

斜拉索的更换施工分3步进行：旧索的放松拆除，新索的安装张拉及全桥索力（包括斜拉索索力、吊索索力）的调整。在更换过程中应遵循先换有断丝或有松弛情况的斜拉索，后换其他索；先换内索，后换外索；全桥反对称、单塔对称换索。具体工艺流程如图3所示。

3换索工艺要点

3.1换索前的准备工作

（1）桥梁实际受力状态的测量。

施工前对桥梁实际受力状态进行测定，包括拉索索力和吊索索力的测定、桥面高程测定、塔轴线以及锚固点位置测量、温度变化对桥面高程影响的测试等。其中，精确、迅速地测定索力和高程是换索工作的重要环节。

（2）换索施工平台及施工机具准备。

斜拉索换索施工前，在主塔和加劲梁处均设置施工平台，以方便施工人员操作。主塔处采用钢管脚手架搭设的施工平台，箱梁处采用可移动的梁底吊篮，在桥面适当位置安装钢绞线放线架、导向轮、切割工作平台以及切割的相关设备（图4～6）。换索施工机具还包括：卸索和挂索的连接器、张拉螺杆引出杆、千斤顶、油泵、反力架、垫板等。

3.2旧索的拆除

在梁底移动挂篮上进行旧索的拆除工作，旧索拆除时需要主塔两侧同一索号的拉索同步放张，并提前进行放张试验，保证拆索的安全性。

（1）按照换索顺序拆除索上构件，安装牵引卷扬机，设置收（放） 索滚轮和索盘，清除梁端锚头钢护筒内的混凝土，除锈后刷机油防锈。

（2）利用反力架、连接器张拉螺杆、接力螺母、拉伸机，按全桥反对称、单塔对称的施工顺序同时进行拉索分级松张。以大螺母稍有松动时的索力作为实际索力（起动索力），并进行2次松张对照，差别不大时方可进行卸索。卸索以变形为主控制索力（松张力）变化，每次1～5 cm同步放松。放松时密切注意两侧松张的索力，保持同步变形，以保证索塔两侧不产生偏载，受力平衡。

3.3钢绞线穿束和张拉

（1）拉索穿束。采用由卷扬机、钢丝绳、导向轮组成的牵引系统，将钢绞线送入HDPE外套管，穿过索鞍及另外一侧HDPE外套管。根据斜拉索的特点，为确保组成斜拉索的各钢绞线平行，采用“从上至下、逐排穿索”的顺序进行穿束。

（2）拉索张拉。接通油泵和千斤顶的油管，并检查精密压力表是否与千斤顶相符；然后在空载的情况下活动2个行程，确保千斤顶在张拉时无任何问题；将反力架穿过钢绞线并安装在锚具上；启动油泵，千斤顶张拉缸保持适量的油压（约1 MPa）后，调整千斤顶反力架，使之与锚管在同一轴线上。为了更好地控制索力，采用小型千斤顶进行单根张拉（图7），单根钢绞线控制张拉力是由设计张拉力、夹片回缩力以及钢绞线张拉顺序影响而产生的衰减控制值3部分累加所得。以施工中标定配套的油压表控制张拉力，配以传感器作为自检手段。

3.4全桥索力的调整

在同号索组更换过程中，后换索的张拉对已经换好的拉索索力产生一定的影响，因此需在同组所有索更换完毕后，采用8台大型千斤顶（图8）同时进行索力调整。首先将这8根索的索力与目标索力进行对照，计算出每根索力调整的数值。索力的调整是根据索力变化与拉索变形之间的关系，在张拉千斤顶的配合下，通过拧紧或放松锚固螺母来实现的。经过这样反复几次测试和调整，使每根索的实测索力与目标索力之间的差值控制在±5%以内，则该组索的索力调整结束，移至下一组拉索，重复此过程。

全桥调索完毕后，复测全桥标高和索力，将实测标高与设计桥面标高进行比较，根据设计目标索力进行全桥拉索和吊索索力的调整，当实测桥面线形达到或接近设计线形且索力不出现异常时，整个调索过程结束。

4换索施工过程监控

斜拉悬吊协作体系桥梁的塔、梁、索（拉索和吊索）是主要受力构件，在新建施工时是重要的监控对象；而在拉索更换施工中，通过计算分析发现，塔、加劲梁以及吊索的内力变化不大，故在本次施工监控中未对其进行监控。由于换索过程中能够直接调整的仅有索力一项，无论是希望换索前后的桥梁受力行为不要发生大的变化，还是希望通过换索对桥梁的工作状态进行改善，都必须以精确测量拉索索力为前提，因此拉索索力监测是本次施工监控的重要内容。另外，加劲梁的线形也是施工监控的重要部分，斜拉悬吊过渡区附近的加劲梁内力和变形也需要特别关注。限于篇幅，本文仅阐述斜拉索索力和加劲梁线形的监控。

4.1斜拉索的监控

本项目斜拉索索力采用千斤顶油压表读数和频率法相结合的方法测定。对换索前的索力进行测量，并与设计索力进行对比（表1）；换索施工后的实测索力与设计目标索力进行对比（表2）。本文仅列出1个主塔中跨侧上下游的索力值。从表2中可以看出，通过施工中对索力的监控，全桥换索后满足加固设计的要求。

4.2加劲梁线形监控

拉索在拆索前后以及新索张拉并调索后，都要在加劲梁对应的位置进行竖向位移监测。本工程加劲梁的线形控制主要通过桥面高程的测量来实现。由于大跨桥梁对温度变化敏感，因此换索前后的加劲梁变形测量应保证在同一时间段进行。监测结果表明，换索后加劲梁线形得到明显改善，跨中位置的位移上抬最大值为9.5 cm，如图9所示。

5结语

斜拉悬吊体系桥梁虽兼顾了斜拉桥和悬索桥的优点，在结构性能和外形上，是一种合理而美观的桥型，但是索结构的腐蚀退化和疲劳破坏对该种桥梁结构的耐久性和安全性构成了威胁。乌江大桥换索工程的成功实施表明以下几点。

（1）通过施工前对斜拉索索力的精确测量，准确掌握桥梁的受力状态，确定合理安全的换索原则和换索顺序，并在此基础上形成了对旧拉索的拆卸工序、新拉索的安装和分级张拉工艺、全桥索力的调整和控制工艺、拉索锚固及防腐技术等更换拉索的成套施工方案。

（2）通过对桥梁换索施工进行全过程监控，掌握了大桥在换索过程中的线形、应力及索力变化情况，保证了换索过程中桥梁结构的安全以及换索后实测索力、线形与加固设计值相吻合，换索后桥梁结构性能有了明显提高，桥梁线形得到了显著优化。

（3）通过在梁底设置步履式工作平台，为梁底加固作业提供了足够的作业空间，平台可以沿着桥梁行车方向水平移动，跨过桥面斜拉索及吊杆，顺利到达下一个作业面，无需搭设施工临时支架或使用桥梁检测车，安全高效，经济实用。

参考文献：

[1]王文涛.斜拉桥换索工程[M].北京：人民交通出版社，1997.

[2]尼尔斯J.吉姆辛.缆索支承桥梁：概念与设计[M].金增洪，译.第二版.北京：人民交通出版社，2002.

[3]张丹.吊拉组合体系桥的力学性能分析[D].杭州：浙江工业大学，2007.

[4]赵煜，张锋，周勇军，等.多跨斜拉自锚式悬索组合体系桥全桥静力模型试验[J].长安大学学报：自然科学版，2012，32（5）：4551，64.