基于受力优化的独塔斜拉桥换索施工关键技术*

刘海宽，张会礼

(1.郑州大学土木工程学院，河南 郑州 450001； 2.河南省交通科学技术研究院有限公司，河南 郑州 450015； 3.河南省祯祥路桥科技有限公司，河南 郑州 450046)

本文以某独塔混凝土斜拉桥换索为工程背景，分析索力变化对结构受力状态调整改善的影响；结合该桥旧索拆卸和新索安装与张拉施工，研究斜拉索更换关键施工技术和要点；通过荷载试验对比，评判加固效果。

1 工程概况

1.1 工程简介

某独塔单索面混凝土斜拉桥于1997年建成通车，桥梁照片如图1所示，其立面布置如图2所示。该桥为塔梁固结，塔梁均采用C50混凝土。主塔为钻石型塔，承台以上塔高64.31m，桥面以上塔高50.71m。桥梁跨径(60+90)m，横断面全宽19m，梁高1.8m，主跨为混凝土单箱双室截面，边跨为实心混凝土截面，荷载等级为汽车-超20级、挂车-120。桥梁斜拉索为镀锌高强平行钢丝索，标准抗拉强度为 1 670MPa； 全桥共有24根斜拉索，拉索为单索面扇形布置，边跨和主跨各设12根；拉索编号由主塔向外增大，其中边跨索为B1～B12，主跨索为Z1～Z12。

图1 桥梁照片

图2 桥梁立面布置(单位：cm)

1.2 桥梁拉索病害

2014年对该桥进行检测，发现斜拉索普遍存在病害，具体表现为：①斜拉索梁上将军帽及钢套筒锈蚀严重，拉索梁端内置减振器锈蚀严重；②梁端拉索锚固区锚杯、螺母和锚垫板等组件严重锈蚀，锚杯内部油脂干枯，出现积水；③塔端拉索锚杯防护罩严重锈蚀，个别索导管附近混凝土脱落、拉索锚固齿块边角破损；④实测索力与设计偏差较大，其中90m跨侧Z4索与原设计偏差33.4%，60m跨侧B2索与原设计偏差-21.7%。斜拉索锚固端典型病害如图3所示。为了保证桥梁安全运营，需对桥梁进行大修，检测建议为对全桥斜拉索进行更换。

图3 斜拉索梁上锚杯严重锈蚀

2 基于索力调整的结构受力优化

2.1 索力优化调整

利用有限元软件MIDAS/Civil建立桥梁计算模型，如图4所示。主梁、主塔采用梁单元进行模拟，斜拉索采用索单元进行模拟。主梁共划分40个单元，主塔共划分92个单元，斜拉索共24个单元。桥梁模型在塔底固结，拉索和塔、梁之间采用弹性连接。计算采用的材料技术参数如表1所示。

表1 材料技术参数

图4 桥梁有限元模型

当前桥梁索力与原设计偏差较大，结构内力与原设计状态也出现较大偏差。按目前内力状态，在最不利荷载组合状态下，中跨主梁底板拉应力超限，且中跨主梁底板已产生裂缝。考虑到桥梁大修涉及的桥面铺装、栏杆和主梁加固将增加部分恒载，通过有限元计算对拉索型号和索力进行了优化调整，将原抗拉强度标准值1 670MPa的平行钢丝索更换为抗拉强度标准值为1 770MPa的斜拉索，调整前后恒载索力对比如表2所示。斜拉索采用从主塔向两侧逐对更换的施工方案，有限元计算模拟了施工过程。计算表明，换索过程中斜拉索最小安全系数为2.60，换索完成后斜拉索最小安全系数为2.71，使用阶段斜拉索最小安全系数为2.52，斜拉索受力安全，均满足要求。

表2 斜拉索索力优化调整前后对比

2.2 主梁受力状态调整

斜拉桥主梁为压弯受力构件，拉索更换施工过程中，主梁承受的压力和弯矩不断发生变化。施工过程中有限元计算显示：①在桥梁旧索拆除后，该索锚固断面主梁上缘出现明显的压应力增量，下缘出现明显的拉应力增量；②在桥梁新索安装张拉后，主梁应力变化与拆除旧索呈现相反，即梁上缘出现明显的拉应力增量，下缘出现较明显的压应力增量；③拉索更换对主梁应力变化的影响范围主要在该索两侧各3根索的梁段之内，随着与更换拉索处距离的增大，主梁上、下缘应力变化幅度减小；④换索过程中主梁最大应力均不超过混凝土抗拉强度设计值，主梁应力变化幅度和换索完成后主梁恒载应力如表3所示。考虑运营最不利荷载组合工况，换索前后主梁的应力状态如表4所示，由表中数据可知，换索后主梁最大拉应力减小，且不超过混凝土的抗拉强度设计值，主梁受力有所改善。

表3 换索过程中主梁应力变化与完成后恒载应力 MPa

表4 换索前后最不利荷载组合下主梁应力 MPa

2.3 主梁与主塔位移

施工过程中有限元计算显示：B9，Z9旧索拆除后，主梁Z9索锚固截面出现最大下挠，最大挠度为-37mm；在B9，Z9新索张拉完成后，Z9索锚固截面出现最大向上位移34mm，旧索拆除引起的主梁挠度基本恢复；换索施工完成后中跨主梁累计最大位移向下，位于Z9索锚固截面附近，最大下挠 -12mm； 换索施工完成后边跨主梁累计最大位移向上，位于Z10索锚固截面附近，最大上挠8mm；换索过程中和完成后梁均不会发生较大位移。对于桥梁主塔，计算表明拆除旧索B12，Z12后塔顶最大偏位17mm，为偏向中跨侧；换索完成后塔顶累计偏位为10mm，为偏向边跨侧；换索过程中和完成后主塔均不会发生较大偏位。

3 换索施工主要技术要点

3.1 旧索放张及拆卸施工

旧索拆除是换索施工的关键工序，影响换索工程实施。本桥旧索拆除采用张拉端(塔端)放张的拆除方案。换索前对全桥索力、线形进行通测，作为施工控制的初始状态。换索时对拆除索及周边索实时监测索应力变化。拆除施工总体顺序为：安装拉索下落限位支架→拆除原有拉索的减振块及其他附件→安装千斤顶与连接张拉杆→连接放索辅助牵引卷扬机→拆除锚圈→千斤顶逐步放张→将拉索及张拉端锚头下放至桥面→拆除固定端(梁端)锚头→将斜拉索切割成4～6m的小节段→汽车式起重机装运出桥面→清理锚孔并对索导管进行防护处理，为下一步新索安装做好准备。

旧索拆除放张前，应首先拆除原有拉索的减振块及其他附件，包括塔端和梁端的防雨罩、保护罩与减振器等，然后将锚杯内防腐油脂擦洗干净，有锈蚀的部位做除锈处理，然后连接张拉杆对斜拉索放张。拉索放张前在塔外用索夹在索导管出口处采用抱箍紧箍拉索，并将抱箍吊耳与放索辅助牵引卷扬机钢丝绳连接。千斤顶张拉、放张时，先逐步张拉至拉索索力并超张1%，待螺母与垫板脱离时反旋螺母，同时用锤子沿螺母轴向和径向轻敲。通过千斤顶的2套工具锚反复张拉、放张，直到牵引卷扬机完全承受拉索自重，然后用牵引卷扬机牵引拉索缓慢下放到桥面。为了保证塔梁受力均衡、对称，放索时对称成对进行。

3.2 新索安装及张拉施工

3.2.1塔端挂索施工

将成盘运至现场的新索利用放索小车在桥面展开，然后将拉索张拉端锚头运送至主塔底部，利用塔上安装的起吊系统起吊拉索。如图5所示，为避免施工对HDPE套造成破坏或损伤，且便于调整锚头姿态，将拉索锚头顺利送入索导管入口，在张拉端锚头处安装3个临时辅助索夹，其中2个并排安装在索导管进口位置，另一个安装在距离锚头约2m位置。临时辅助索夹上设置吊环，起吊点与2个并排安装的索夹吊环相连，通过手拉葫芦使另一个索夹与起吊点形成三角形。安装张拉千斤顶、撑脚等设备，并在塔端索导管上口安装牵引倒拐支架，通过倒拐支架从索导管上口用钢丝绳与锚头上张拉杆的专用连接器连接，然后由卷扬机牵引钢丝绳向外拖拽锚头。拖拽过程中可通过调整牵引倒拐支架拉杆长度，使拉索通过索导管时处于中心位置。

图5 塔端挂索施工

通过垂直起吊系统和牵引系统同步作业，将拉索起吊至一定高度后停止，等待梁端锚头安装固定。梁端锚头安装固定后，再同步启动垂直起吊系统和卷扬机牵引拉索。当锚头进入索导管底口时，通过手拉葫芦调整锚头姿态，使其对中索导管中心，以便顺利进入索导管。当张拉杆露出索导管上端出口时，及时安装撑脚、连续快速作用千斤顶和对应的工具锚、锚头螺母等设备，在张拉杆顶部拧上锚头螺母，完成软牵引到张拉杆转换。用千斤顶连接张拉作业，将锚头张拉至露出索导管上口，然后将锚圈螺母旋入锚头≥4圈螺牙，至此完成拉索塔端挂索施工。当成对的2根索都挂索完成后，即可安装2套张拉千斤顶，准备进入张拉施工阶段。

3.2.2梁端挂索施工

梁端挂索前先清除索导管内残留的杂物和碎屑，将孔道内的毛刺打平，并在索导管内壁进行除锈刷漆防护处理。在梁顶加工轻型三脚架，三脚架上安装手拉葫芦提升下锚头入孔，并利用在梁上进索位置安装导向轮，使缆索入孔角度与预留孔角度一致，以确保拉索HDPE套不致被碰撞损伤。在梁底索导管下口用千斤顶索引出口，直至锚头穿出锚垫板，拧上锚头螺母传力到锚垫板。为保证梁上锚具和主梁锚具箱传力可靠，新增设40mm厚钢垫板，增设钢垫板采用机械加工，保证两面平整。

3.2.3新索张拉施工

斜拉索张拉统一采用塔上张拉，张拉力按监控单位签发的监控指令对称分级张拉。拉索张拉时启动千斤顶油泵分级同步张拉，锚固螺母跟进锚固，张拉力以换算油表压力控制为主，按伸长量对张拉力进行复核。张拉达到分级控制力后，千斤顶持荷5min，然后拧紧锚固螺母；为弥补锚固索力损失，张拉到最终控制索力后，再进行1%的超张，然后拧紧锚固螺母完成斜拉索张拉。每更换完1对索后，测试该对索及邻近2对拉索索力的变化，并与理论计算值进行对比。斜拉索全部更换完成、桥梁加固和附属设施施工完成后，对索力、桥面标高和索塔位移进行测量，根据测量结果和施工监控要求进行索力调整，完成新索的张拉全部施工。

4 换索后桥梁改造效果分析

在施工过程中进行了索力控制、主梁位移监测、主塔偏位监测和关键截面受力监测，保证了加固改造设计目标的实现。为了对换索加固改造效果进行评价，加固后对桥梁进行了荷载试验检测，并与换索加固前进行了对比。

1)加固前90m跨控制截面应变和挠度校验系数最大值分别为0.95，0.94，加固后分别减小为0.83，0.85；加固前60m跨控制截面应变和挠度校验系数最大值分别为0.77，0.86，加固后分别减小为0.69，0.91。静载试验结果表明，加固后桥梁承载力、整体抗弯刚度有较大提升。

2)动载试验桥梁基频测试结果显示，加固后桥梁整体刚度明显提升，加固前实测桥梁基频为0.88Hz，加固后为0.98Hz。

3)通过新索索力调整，优化了结构的受力状态；换索施工过程中索力控制良好，实测成桥索力与设计最大偏差为8%，小于控制值±10%的要求。

5 结语

以某独塔斜拉桥换索为工程背景，通过换索施工的索力优化调整改善了结构受力状态。通过有限元法对施工步骤进行模拟，验证了施工方法和步骤的合理性，换索施工过程安全可靠。结合施工条件，介绍了换索施工中旧索拆除和新索安装关键技术，保证了换索施工的顺利进行。加固前后桥梁荷载试验数据对比显示，换索加固完成后桥梁整体刚度增大，承载力有所提高。