非洲地区悬索桥全吊索更换施工关键技术研究

◎ 陈豪举 李元博 李大龙 佘会忠 李昊然

1.中国路桥工程有限责任公司；2.中交二公局第二工程有限责任公司

1.项目简介

莫桑比克SAVE河悬索桥位于南部非洲国家莫桑比克的中部地区，连接伊尼扬巴内省与索法拉省，由葡萄牙的埃德加·卡多佐教授在20世纪60年代设计，建造完成时间约为1972年，设计使用寿命为50年。

该桥为4塔5跨悬索桥，全长830m，跨径组成为20m+210m×3+120m。桥面宽度11.6m，布置2条宽3.6m的车道和2条宽1.85m的人行道。全桥设计构思巧妙，布局简洁美观，体现了20世纪中叶欧洲桥梁建筑师的设计风格。

2.悬索桥旧吊索的主要病害及其次生病害描述

SAVE河悬索桥作为连通莫桑比克南北的唯一国道交通咽喉，自1972年通车至换索时已服务约49年，伴随设计寿命的临近，服务运营期间逐年增长的车辆重载以及缺乏专业养护团队的维护保养，为该桥结构尤其是承重吊索系统积累了不少严重的质量病害。

根据吊索系统的结构特征，分析吊索的主要病害及次生病害如下：

2.1 吊索的主要病害描述

（1）上锚固区主要病害。吊索上锚固区的主要病害为钢构件锈蚀、主缆缠丝松动、索夹滑移等。根据现场调查，大桥部分索夹出现明显滑移，最大滑移量达40cm。主要原因包括两点：一是大桥年久失修，日常巡检养护不到位，导致紧固索夹的高强螺栓的紧固力减小；二是大桥主缆基本情况良好，但部分段落在修建时并未做好整形工作，导致主缆呈鼻形，导致部分索夹内部出现明显空隙。

（2）下锚固区主要病害。吊索下锚固区的主要病害为吊索本身的锈蚀。特别是在吊索从桥面进入主梁混凝土的交界面处锈蚀情况尤为严重。该位置处易形成积水，且基本未进行防护，极易形成锈蚀。根据评估，全桥吊索基本均处于中等锈蚀状态，少量轻微锈蚀，部分锈蚀极其严重。锈蚀严重的吊索，已锈断2/3，随时有断裂风险。

（3）主要病害之吊索索力不均。本桥自2002年第一次发生吊索断裂至今已累计更换了46根旧吊索（上游21根，下游25根）。由于彼时更换技术较为粗糙，仅凭借经验张拉临时吊索，未注重吊索力或桥面线形的同步调整，再加上主梁长期运营后可能产生的主梁横向扭转的影响，全桥吊索存在不同程度的索力不均与索长不定等问题。

为摸清旧吊索的索力分布差异，采用正弦式索力计测量斜拉索索力。

根据拉锁自由振动方程：

式中EI为索股的抗弯刚度，w为拉索的横向动位移，x为沿拉索方向的坐 标，T为拉索张力，m为索的单位长度质量。

模拟拉索两端简支，上式可简化为：

式中n(n=1，2，3，……)为拉索自振频率的阶数，l为拉索的计算索长。如果忽略抗弯刚度的影响，上式可简化为：

通过对本桥每道横梁位置的上、下游侧同位（南/北）的两根旧吊索索力的测算对比，发现有近30%的同位吊索之间的索力差异在20%以上。

2.2 主要病害影响下的桥梁次生病害

受旧吊索索夹滑移和索力不均等主要病害的影响，悬索桥存在如下次生病害：桥面线形起伏、不匀顺、呈波浪状；主梁梁端挤压破损，桥面板相邻伸缩缝挤死或高程突变；纵横梁间铜板支座脱空或偏位。

桥面线形的波动主要表现：一是在纵桥向跨中上拱而两侧主塔处下沉，高差超过60cm，导致主塔处主梁与横向支座发生明显竖向错位。二是在索力不均及支座问题的综合作用下，主梁横桥向部分段落高差较大，最值超过13.9cm。

3.吊索更换施工方案

吊索的更换的最终结果是实现悬索桥全桥328根旧吊索在更换为新吊索后的桥面线形标高应符合设计目标值。通过对既有病害原理的分析，为达到此目标，需要进行索夹复位、消除上下游高差、减小主梁的横向扭转以及索力调整以减小同位吊索的不平衡受力。施工实践中以每跨内的桥面纵向线形是否平顺为辅助判断依据。

根据全吊索更换的要求，悬索桥全桥328根旧吊索均需更换为新吊索。新吊索采用预制平行钢丝束，钢丝束外挤包4.5mm黑色HDPE进行防护，护套外径54mm，最短索长约12.5m，最长索长约34m。每根新吊索均由61根钢丝组成，钢丝采用直径5.0mm镀锌高强钢丝，钢丝标准抗拉强度不小于1860Mpa。新吊索由国内专业厂家加工生产后，海运进场[1]。

3.1 吊索更换的施工准备

吊索更换的施工准备包括施工平台和索力转换装置的准备，并在总体上对全桥施工流程和每次吊索更换的工序进行确定。

（1）施工平台的准备。

1）骑跨主缆的上施工平台。主缆距离桥面的距离在9.7m～32.1m之间，为满足施工人员到达主缆高度并在主缆上完成吊索上端的施工需求。设计加工了一个骑跨主缆的操作平台进行索夹复位、临时吊索的索夹安装拆卸、新旧吊索与上锚头索夹的分离和安装等工序。同步为该平台配备升降吊笼（配置安全保险绳）以便人员上下，。操作平台在主缆上的行走移动通过手拉葫芦倒链完成。

操作平台横向宽9.25m，纵向长12.7m，高1.5m，总重约6t。主缆操作平台主要为四个带滚筒的吊笼，滚筒骑跨在主缆上为着力点，横纵桥向分别通过钢制桁架安全通道连接，其中横桥向刚性连接确保吊笼不会侧翻，纵桥向铰接以适应爬升过程中的角度变化。为保证平台在主缆上移动的一致性和均匀性，采用四个手拉葫芦进行攀爬及固定[2]。

表1 上下游同位吊索索力差异统计表

2)主梁梁底的下操作平台。主梁梁底需进行临时吊索在梁底的钢构件的安装拆卸，吊索与下锚头区域部件的分离和安装，以及索力标高调整等工序。根据现场调查，充分利用悬索桥既有的梁底检修车，通过加固完善可作为换索过程中梁底区域相关施工的作业平台。

（2）索力转换装置。临时吊索系统是吊索更换过程中索力转换的重要装置。索力转换即通过临时吊索代替旧吊索承担桥面板的荷载，使旧吊索原索力得到释放。

临时吊索系统包括临时索夹、上端悬吊索、上端连接梁、精轧螺纹钢、下端连接梁、千斤顶、兜底梁和调节系统组成。

3.2 吊索更换的过程控制

（1）临时吊索系统安装。对临时吊索的安装点位进行放样，对同一个伸缩缝处的混凝土横梁，均由上下两套临时吊索底部的兜底型钢环抱形成索力转换的支点。当混凝土横梁被临时吊索提起时，在横梁上方相交的两根相邻的斜吊索将被释放，其在桥面的交汇点垂直投影到正上方的主缆上，即是临时索夹的安装位置。

在主塔塔身中心线位置伸缩缝对应的混凝土横梁正上方无临时索夹可以锚固利用的主缆，经过现场调查，选择直接利用塔身构建横桥向的型钢支撑作为吊索精轧螺纹钢的锚点以替代临时索夹和上端连接梁。

临时索夹定位后，拆除主缆表面缠丝，检查主缆圆度是否规则，可填充钢丝并包裹橡胶，保证充足的接触面积以防止临时索夹直接安装后出现受力滑移的问题。2根直径43mm的钢丝绳（上端悬吊索）“骑跨”临时索夹槽口内，钢丝绳两端灌注冷铸锚具，锚具与上端连接梁连接，利用螺母调节上端连接梁至水平。上端连接梁与下端连接梁通过两根直径32mm的精轧螺纹钢连接，安装时需注意连接器的安装深度。一组精轧螺纹钢之间需用绳子捆绑，可以有效消除偶然性的风振现象。下端连接梁又与混凝土横梁下部的兜底梁通过精轧螺纹钢连接，同时在下端连接梁上安装两个50t液压千斤顶用以提升兜底梁[3]。

（2）临时吊索系统提升。逐级张拉液压千斤顶，提升混凝土横梁至旧吊索索力释放。精轧螺纹钢与上下连接梁等多个部件连接以后存在机械空隙，需要千斤顶在低级压力下持荷一定时间将机械空隙的拉伸抵消，而后开始正常提升。提升过程中需要时刻观察下连接梁是否水平。

桥面的提升需要上下游左右幅同步，但由于主缆松弛度不一，千斤顶行程速率不一，在提升过程中桥面两侧会存在一定高差，需要测量及时纠偏缩小差值。

（3）旧吊索切割，索夹复位。待旧吊索索力完全释放后（用手可以摇晃），采用切割机拆除纵桥向相邻两对临时吊索系统中间的待换旧吊索，并用卷扬机缓慢下放至桥面。清理桥面板内部预埋的索导管，同时将卸力后的旧索夹拆卸清理并复位。

（4）新吊索下料长度控制。新吊索在出厂时下锚头已经铸造完成，而上锚头的吊索的连接需在现场进行。灌铸前，施工现场需要对新吊索下料长度进行确定。设计院已提供每根吊索的设计索力，已知吊索弹性模量和截面积，根据索夹复位后的空间坐标，索导管和桥面板接触点坐标，上下锚头长度，索导管长度以及主缆中心到索夹上丝口的长度，可得出吊索弹性部分在无应力状态下的长度，公式如下：

再考虑锚头内的索体灌铸工艺长度后即可得出新吊索的现场下料长度。

（5）新吊索灌锚与安装。先将半成品新吊索（下锚头已灌注，上端开放）从梁底自下而上穿过桥面板内部预埋的索导管引至桥面；再根据计算结果对吊索进行切割下料，接着现场灌铸上锚头并做顶压工艺。

主要工序包括①剥离PE 防护套—②清洗锚杯和钢丝—③钢丝穿过锚杯—④分丝板穿丝—⑤镦头器墩头—⑥安装密封定位夹具—⑦灌锚台上锚杯预热并灌铸锚头—⑧反顶压实—⑨二次灌铸反向密封—⑩热缩保护套安装。

将灌铸完成后的新吊索通过卷扬机和提升夹提升至主缆复位后的索夹附近，与修复后的索夹相连接，最后采用镀锌碳钢紧定螺钉固定锚杯。

4.结语

莫桑比克SAVE河悬索桥已为所在国的南北交通服务了近50年，积累了大量病害，其中以吊索病害最为突出，是全桥加固维修的重点。在对悬索桥328根旧吊索的更换过程中，项目团队针对该桥三角式斜吊索体系，通过临时吊索系统、主缆上施工平台以及主梁操作平台等工具装置的运用解决了索力转换和吊索更换的顶底端施工作业空间问题；通过对新吊索的长度进行现场精确测算与下料，严格控制上锚头的现场灌铸质量，以及由粗到细分阶段多次地对新吊索索力及桥面标高的调整校正，最终使实际施工效果达到了设计预期。

此外本文还就中欧规范关于高强钢丝检测要求进行了对比，对索夹螺栓的预紧力控制以及吊索索力的测试优化进行了阐述，为后续超龄悬索桥吊索更换施工提供了一些可借鉴的经验。