超高强度钢绞线拉索在旧桥换索中的设计应用

朱 元，李 翔，韦耀淋，吴勇翔

（柳州欧维姆机械股份有限公司，广西 柳州 545006）

0 引言

钢管混凝土拱桥吊杆在20世纪90年代开始得到了广泛应用，随着经济快速发展，桥梁的承载也随之增大，并带来一系列的问题。由于我国八九十年代拉索设计技术水平有限，基本上都是在现场采用平行钢丝墩头制锚，并在套管内灌注水泥砂浆对钢丝进行防腐，这一措施导致拉索防腐能力差、使用年限短。

近年来随着交通流量的不断增大，超载现象严重，更是加快了吊杆的损坏，特别是拱脚附近的几个短吊杆损坏更加明显。普遍存在吊杆位置错位以及PE开裂、吊杆钢丝锈蚀、吊杆上下锚头锈蚀等现象，这些问题造成吊杆使用寿命普遍在10年左右。因此需要定期对钢管拱桥的吊杆进行检查检测，以便及时更换破损吊杆以延长吊杆使用寿命。

在施工过程中存在如下问题，导致吊杆无法顺利更换：

（1）20世纪之前的拱桥吊杆大多数采用钢丝墩头吊索，拱肋及系梁内预埋孔道较小，且横梁结构尺寸小，无法扩孔，目前这种产品已经停产。

（2）因孔道内灌注混凝土导致管道清理困难。

（3）目前市场上的新吊杆为成品索结构，因吊杆锚头尺寸大于原预埋管孔道无法更换。

在这种情况下，常规的更换方案为以下几种：

（1）采用钢拉杆吊杆方案，但钢拉杆存在刚度太大、疲劳性差、防腐难度高、使用寿命短的风险和不足之处。

（2）钢丝冷铸墩头锚方案，这种吊杆结构锚头尺寸大，只适合预埋孔道大的结构中，因此在旧桥吊杆中都是预埋管孔道偏小，无法穿过冷铸锚头，除非破坏桥梁结构的原有孔道才有可能实现换索要求，如果采用这种方式很容易造成损伤桥体的风险，且造价费用大。

针对目前存在的工况，急需研发出一种既可快速更换旧吊杆、无须破坏桥梁原结构体、性能更可靠、使用寿命更长，且施工周期短、成本低的新型拉索。

目前超高强度钢绞线已经成功运用于桥梁结构工程中，如果可以开发出一种采用超高强度钢绞线制作的拉索，通过提升单根钢绞线的承载能力，降低钢绞线的用量，缩小钢绞线拉索的结构尺寸来替换旧吊杆，就可以解决以上存在的问题。杨帆[1]等人在对钢绞线整束挤压拉索在旧桥换索工程中的运用的研究论文中，提出了钢绞线挤压拉索的设计原则和拉索结构的创新带来的换索好处。

1 工程概况

济南顺河高架桥于1998年建成通车（见图1）。桥梁全长90m，桥面全宽25.5m。上部承重构件为90m的钢管混凝土拱肋，左右各一片，拱肋断面为桁架式，由4根钢管组成，钢管内部灌注50号混凝土。两侧拱肋之间设置4道一字式桁式横撑。每侧拱肋下有16根吊杆，拱肋拱脚间设4根系杆。跨越胶济铁路线采用90m的下承式钢管混凝土刚架系杆拱桥，下部结构型式为墙式桥台，钻孔灌注桩基础。桥面由预应力混凝土预制横梁、现浇连续桥面板组成，沥青混凝土桥面铺装，毛勒式伸缩缝。

图1 济南顺河高架桥

全桥共有32根吊杆，所有吊杆都存在不同程度的表观病害，有划痕刮伤、涂层起皮、烧痕凹陷等。21根吊杆上锚头漏油现象较为严重，23根吊杆下锚头漏油现象较为严重。吊杆系统典型的病害如图2和图3所示。

图2 拉索渗漏现象

图3 锚头生锈

针对上述情况，且原墩头钢丝吊杆市场已经被淘汰，必须在当前市场上寻找一种锚头尺寸能够适用于工程要求的新拉索体系进行更换，以确保工程能够适应恶劣环境并提高吊杆防腐能力和提升拉索的承载功能。

2 吊杆更换方案选择

拉索分类及主要技术参数对比见表1。

2.1 常规方案对比

表1 常规吊杆参数对比

通过对以上吊杆结构参数进行分析对比可以看出，其中LZM型钢丝吊索为成品索结构，夹片式钢绞线为单根平行钢绞线拉索（非成品索）,GLG型为高强钢拉杆结构。只有GLG型钢拉杆吊杆才可以通过内径为134mm的原预埋管孔道。

因原墩头锚吊杆结构目前市场已经淘汰停产，如果采用钢拉杆结构，由于钢拉杆刚度大、疲劳差、防腐差，容易发生腐蚀，不适应吊杆的自由摆动纠偏结构需求，安全性较差。另外，石伟[2]等人针对大直径钢拉杆的机械性能进行了研究，提出了钢拉杆在吊杆中运用存在工艺上的缺陷或不成熟的地方，会带来一些隐患，因此采用钢拉杆的方案被否决。如果采用LZM型钢丝冷铸锚，锚头结构尺寸偏大，必须对孔道进行扩孔才可能满足安装要求。但该项目工况比较复杂，不允许进行扩孔，因此这一方案也不能满足吊杆更换需求。为确保修补工程能够顺利实施，必须开发一种新型的超高强度钢绞线整束挤压拉索来实现快速换索。

2.2 新设计方案开发

在该项目中，如果采用OVM.GJ型钢绞线整束挤压拉索体系[3]，对应1860MPa级15.2mm的钢绞线整束挤压拉索，至少需要18根钢绞线，其锚头尺寸为150mm，仍然无法通过预埋管。因此考虑到原桥梁设计方案，长吊杆实际载荷为1015kN，原吊索有4.5倍的安全系数要求（设计富余度大）。如果能将长吊杆的安全系数调整至3.5倍以上，但仍然满足桥梁规范设计要求，则可按照1860MPa级15.2mm的钢绞线换算索力，钢绞线拉索根数仍需14根，但是1860MPa级别的挤压拉索体系目前只有15孔的，锚头尺寸为140mm，而原预埋孔道为134mm，还是无法通过原预埋管。

根据GJ型钢绞线整束挤压拉索产品的基本原理进行优化设计，提高其锚固夹持能力来实现对超高强度级别的钢绞线即2200MPa级钢绞线进行锚固夹持。为了开发这个强度级别的钢绞线整束挤压拉索产品，欧维姆公司黄颖[4]等人通过对原GJ型产品进行升级研究，取名为GJ15B型超高强度级钢绞线整束挤压拉索。针对以济南顺河高架桥项目为例的类似项目，结合设计要求开发了GJ15B-12型2200MPa级15.2mm的吊杆产品作为长吊杆替换DM5-151型钢丝吊索。

GJB15型钢绞线吊索结构如图4所示。

图4 GJ15B型钢绞线整束挤压拉索

此结构主要是在GJ15型钢绞线整束挤压吊索锚固结构上的升级设计改进，其研发技术要求主要是以下几点：

（1）提升锚固结构的夹持性能，能够保证其静载锚固效率不小于95%。

（2）改善吊索的疲劳稳定性能，提升其疲劳寿命。

（3）通过采用超高强度钢绞线制作成整束挤压拉索体系，在同等承载力拉索结构上，可以将锚固套的直径相对缩小14%，更方便原预埋孔道小的工况下实现换索。

（4）拉索组件的疲劳性能满足0.4fptk应力上限，200MPa应力幅，200万次的疲劳。

2.2.1 方案改进措施

由于钢绞线抗拉强度的提高，对锚固套的夹持握裹能力提出更高要求，常规的锚固套无法满足性能要求，2200MPa钢绞线的强度比1860MPa提高340MPa，即单根钢绞线极限拉力提高47.6kN，如果仍采用现有锚具，则锚固效率只有90%～93%，故需要对拉索锚固结构进行优化，以实现高强钢绞线的锚固效果[3]。具体优化措施如下：

（1）改善锚固套的握裹长度，通过延长有效夹持段的长度来增加握裹力。

（2）改善锚固套端部的楔形夹具，通过改变楔形角度来实现增强握裹力。

（3）增加锚固套的径向挤压力来实现对钢绞线的夹持。

2.3 新方案试验验证

2.3.1 静载试验验证

通过对锚固套的改进设计和辅助夹持零部件进行了调整，保证拉索满足《预应力筋用锚具、夹具和连接器》（GB/T14370—2007）的相关要求。试验论证结果见表2，对GJ15B-12型、GJ15B-19型钢绞线挤压拉索静载试验如图5和图6所示。

表2 GJ15B型拉索静载试验数据

图5 GJ15B-12型静载试验

图6 GJ15B-19型静载试验

通过以上三组型号的锚索各进行了三组静载试验可以看出，锚固套完全能够夹持住2200MPa级的钢绞线，并且各指标参数符合标准的要求。

2.3.2 疲劳性能验证

疲劳性能的验证试验完全采用济南顺河高架桥项目使用的12孔吊索规格作为1∶1试验，试验标准参考《斜拉桥热挤聚乙烯高强钢丝拉索技术条件》（GB/T18365—2001），满足应力上限 0.4fptk，应力幅250MPa，疲劳次数200万次[3]。疲劳试验依据见表3。

针对这次疲劳试验，对如何提高疲劳性能在结构上和握裹密封材料上分别进行了改进，采用环氧砂浆替代了聚氨酯材料，并在锚索结构上增加了延长密封装置[5]。

表3 GJ15B-12疲劳试验依据

3 顺河高架桥项目吊杆更换

3.1 吊杆更换流程

搭建兜吊系统—转换旧吊索力至兜吊系统—割除旧钢丝索—清楚预留孔道—新吊杆安装索力转换—调索封锚。

3.2 兜吊系统设计

该项目由于钢管拱肋严重生锈，且地处高铁铁路上面，不允许在拱肋上进行焊接操作，因此无法在拱肋上端进行焊接搭接兜吊转换体系支撑结构。根据拱肋结构情况，项目组发明设计了一套抱箍式夹持体系作为作业平台，如图7和图8所示。

利用抱箍对钢管拱肋的摩擦夹持，通过高强螺栓锁死两半式抱箍，再将兜吊平台固定在抱箍顶面，从而实现将旧吊杆索力转换至兜吊系统上。

图7 拱肋抱箍结构

图8 拱肋兜吊体系

3.3 新吊杆安装

兜吊系统转换索力后，将新吊索从桥面往拱肋预埋管穿入，通过葫芦和吊车工具将新吊索牵引提升至拱肋处，穿入球垫并锁死螺母在锚头固定位置。吊杆安装如图9所示。

图9 新吊杆安装图

4 结语

通过开发超高强度的钢绞线拉索产品，可以使得拉索结构尺寸更加紧凑，在同等数量的钢绞线产品体系中可以承受更大的承载力，从而可以降低钢绞线重量在桥梁结构中的占比，拉索锚头结构尺寸可以相对缩小14%以上，实现对桥梁结构体系起到优化设计的促进作用。另外超高强度钢绞线整束挤压拉索体系锚头尺寸小，可以在旧桥换索中实现避免扩孔带来损害桥体结构的风险，解决了换索施工难度大、旧吊杆孔道小的工况下无法换索的问题。

参考文献：

[1]杨帆，朱万旭，黄颖，等.钢绞线整束挤压拉索在拱桥吊杆换索中的设计及应用[J].广西工学院学报，2012，23（S1）：107-111.

[2]石伟，彭春阳，李华萍，等.热处理对大直径钢拉杆机械性能的影响研究[J].广西工学院学报，2012，23（S1）:17-23.

[3]JT/T850—2013，挤压锚固钢绞线拉索[S].

[4]黄颖，朱万旭，杨帆，等.钢绞线整束挤压式拉索锚具抗滑性能的试验研究[J].预应力技术，2008（6）:7-9.

[5]朱元，秦浩，韦耀淋，等.钢绞线挤压锚固夹持结构的优化研究[J].城市道桥与防洪，2017（3）:241-244.