北方高寒地区大跨度桥梁斜拉索护套耐久性维护方案研究

张晓东

(辽宁新发展公路科技养护有限公司 沈阳市 110005)

1 工程概况

中朝鸭绿江界河公路大桥是我国连接朝鲜民主主义人民共和国(以下简称朝鲜) 的重要通道。如图1所示,鸭绿江界河公路大桥桥孔布置为7×40m+6×40m+6×60m+86m+229m+636m+229m+86m+6×60m+6×40m+7×40m,桥梁全长 3026m(不含耳墙及侧墙长度),主桥采用双塔双索面钢箱梁斜拉桥,主跨636m,是目前北方高寒地区最大跨度。

图1 主桥总体布置图(单位:mm)

斜拉索采用强度为1670MPa平行锌铝合金镀层钢丝拉索,符合《斜拉桥用热挤聚乙烯高强钢丝拉索》(GB/T 18365—2001)的要求,扇形布置,梁上拉索锚固点横向间距29.58m, 在主梁上的标准索距为16m,在索塔上竖向标准索距为2.5m、2.6m、2.8m、3.0m四种,第一对拉索至塔梁交叉点距离为21m,全桥共4×19对斜拉索152根,分别为PES7-121、PES7-151、PES7-199、PES7-223、PES7-253五种类型,最长索约350m,最短索约108m,单根索最大重量约30t。钢丝束外缠绕保护带,护套采用双层,内层为黑色高密度聚乙烯,外层为彩色高密度聚乙烯。钢丝排列整齐密实,同心绞合,最外层钢丝绞合角3°±0.5°,左旋。扭绞后的裸索外加缠包带,带宽30～40mm,单层重叠宽度应不小于带宽的1/3,双层缠包。缠包带右旋。缠包带采用高强度复合带。在缠包带的钢丝束外挤包高密度聚乙烯护套两层(黑色和彩色),双层护套一次成型,成型后的拉索表面光滑平整,护套厚度偏差+1mm。

2 PE护套病害统计

本次维修的中方侧共计76 根斜拉索,每根斜拉索均存在缺陷,共1825处,主要缺陷有PE护套划痕、PE护套破损、螺旋线缺失、螺旋线压扁四类。其中PE 护套破损缺陷会导致拉索渗水锈蚀,螺旋线缺失压扁会导致拉索风雨振改变拉索的自振频率,拉索索力重分布,使主梁线形、受力发生变化。

3 PE护套病害成因

(1)施工原因:斜拉索施工涉及的工序较为繁杂,具体有运输、存放、卷盘、展开、拖索、吊装、牵引、锚固、张拉及调整等,而斜拉索的PE护套保护层为柔性聚合物,在运输、挂索、张拉等施工过程中,斜拉索会不可避免地受到不同程度的损伤。

(2)温度的影响:辽宁地处东北地区,常年气温较低,桥址处年平均气温10℃,极端最低气温-30℃,极端最高气温约35℃,年冰冻期超过150天,由于这些极端天气的影响,组成拉索材料的钢材、PE护套,不能同步伸缩,导致拉索的护套出现微裂缝,在外界环境因素的侵蚀下,加速了拉索的老化与损坏。

(3)养护原因:由于斜拉索攀爬困难,日常检查和养护维修无法实施,对斜拉索病害无法提前预防,对已经出现的病害也无法及时进行维修处理,导致病害的发生和发展。

(4)活载的影响:由于车辆、风、雨等活载的作用,拉索应力变化大,索梁振动加剧,拉索伸长量也发生往复性的变化,这种往复性变化将使得PE护套材料出现疲劳、开裂,破坏防护系统的整体性。

4 拉索PE护套修复处治原则

本设计项目仅针对桥梁检测时存在的斜拉索 PE 护套表观缺陷进行耐久性维护, 阻止缺陷进一步发展对构件造成损伤,除特殊说明外,不对桥梁结构或构件进行加固,不提高原结构或构件承载能力。

一般耐久性缺陷维护处治原则: 对于不影响结构承载力的缺陷,考虑进行结构耐久性维护,阻止缺陷继续发展,提高结构或构件使用年限。

(1)斜拉索 PE 护套破损、划痕: 对 PE 护套破损缺陷采用热熔机热熔 PE 颗粒技术进行修补。修补之前需要对原表层采用打磨机打磨,去除原有污渍,褶皱。修补时由于采用固定的修补模具,每 1 处维护,模具的修补面积为 0.25 m2。

(2)斜拉索 PE 护套螺旋线压扁: 对螺旋线压扁缺失缺陷采用热熔机烘枪加热PE 焊条,热熔连接 PE 管,修复螺旋线 技术进行修补。修复螺旋线之前需将原压扁螺旋线进行切除,保证切除后表面与原 PE 护套表层平齐后重新进行热熔焊接。 为保证焊接效果,每处缺陷焊接长度保证两端搭接长度均应不少于20cm。

5 施工行走挂篮设计

(1)如图2所示,本桥工装由左右两个挂篮、一套斜拉索行走机构、上、下滑轮组、独立控制的电控箱、挂篮框体、两台提升机及两套安全锁等组成。每组上、下滑轮组采用螺栓连接的方式安装在斜拉索上,滑轮采用耐磨高强聚氨酯材料加工而成,挂篮各部件均采用螺栓连接的方式。左右挂篮在工作状态下,必须保持重量大致平衡,施工人员在挂篮上通过对讲机自主控制挂篮的同步上升和下降,以便到达需要维护的部位。

图2 斜拉索维护施工行走挂篮示意图

(2)如图3、图4所示,每个工作面由2副挂篮协同工作,其中行走挂篮作为主施工平台,沿着斜拉索索体上下爬行,施工人员在挂篮中进行斜拉索检查、修补及PVF缠包胶带,垂直挂篮主要作为更换上部导向滑轮点的施工平台。

图3 施工行走挂篮设计图

图4 斜拉索维护施工现场

(3)卷扬机设置

工作面由1台5t卷扬机作为挂篮行走牵引动力,主要牵引挂篮沿着斜拉索索体上下爬行。卷扬机安装位置在工作区索塔底端桥面人行道上,施工时同业主沟通协商,临时拆除少量外护栏,并做好临边防护(待施工完后对外护栏焊接恢复原样),故将卷扬机一侧焊接在内护栏型钢上并进行加肋,确保焊接质量,卷扬机另一侧在人行道侧部和顶面种植Φ16mm螺栓,螺母固定2cm厚钢板,焊接型钢及卷扬机底座。在卷扬机前后端设置焊接锚点,用钢丝绳从墩孔中穿入至封嘴内部进行锚固。卷扬机进场进行检查保养,全面检查卷扬机钢丝绳,如有断丝现象,对钢丝绳进行更换处理。卷扬机使用前先试运行,重点检查卷扬机刹车情况。主牵引卷扬机主要是牵引挂篮沿着斜拉索索体上下爬行,副卷扬机用于垂直提升挂篮的上下提升。

(4)设置塔端导向装置

斜拉索检查维修施工中,卷扬机或挂篮需要设置施工锚点作为受力点。挂篮的锚固点是固定的,卷扬机钢丝绳通过固定锚固点后连接挂篮,卷扬机启动后控制挂篮上下移动。施工人员通过塔内爬梯上至塔顶,在过程中对索塔内侧爬梯进行检查修补,确保爬梯安全,索塔下横梁至塔底为踏步转向梯,下横梁至塔顶为竖直爬梯。

在塔顶人孔处中部安装固定锚点。锚固点采用双拼工16进行制作安装。采用两根双拼工字钢作为主要受力点,左右两侧采用[14槽钢进行限位,采用单边种植2个M16的8.8级高强锚栓进行固定,各部位进行满焊接,满足焊缝要求。在塔顶混凝土护栏顶端安装钢丝绳防损装置,确保钢丝绳在受力过程中不受伤,不脱槽,防损防脱装置采用两根[12型钢、角钢及滑轮进行制作安装,种植M18膨胀螺栓及焊接原预埋件钢板进行固定限位,并采用一根特制的安全绳作为保险绳。塔顶施工人员在塔顶端安装牵引装置,采用麻绳将牵引钢丝绳拉至塔顶,利用牵引装置将Ф16mm钢丝绳放置梁底,将检修吊篮主牵引绳(Ф16mm钢丝绳)牵引至塔顶。

(5)设置塔底端导向滑轮

在索塔底端设置1个10t导向滑轮,导向滑轮固定方式采用在索塔底部钢箱梁上方焊接工14工字钢作为预埋件或种植6个M18膨胀螺栓固定型钢作为导向滑轮装置。

(6)挂篮布置

挂篮以自动提升机为动力沿着索垂直方向上下移动,通过卷扬机和自动提升机的共同作业,自动提升机带自动锁死系统,刹车失灵时自动锁死。挂篮到达被施工斜拉索,施工人员可以顺利完成斜拉索的维修工作,施工挂篮过程中,不以被施斜拉索作为支点,保证斜拉索维修施工有足够的操作空间。

(7)施工行走挂篮

每副挂篮内布置2名施工人员,桥面2名工作人员,塔顶2名观察人员,挂篮利用定制高强聚氨酯轮沿着索体行走,为避免挂篮施工期间在索体表面的滚动损伤,挂篮将采用柔性材料制作走轮。由于施工期间高空风荷会过大,故挂篮侧面护栏采用轻质方钢进行制作,并铺挂设安全网及警示牌,挂篮底部采用2mm花纹钢板覆盖,以避免高空坠物。

6 维修工具

使用的工具有细木锉、钳子、螺丝刀,塑料焊接用热风塑焊枪、电烙铁、焊枪功率在300w以上,热熔夹具、电子温度调节器、温度计(量程为300℃)、角磨机、树脂磨片、美工刀、220V电源等。

7 维修材料

(1)斜拉索护套维修材料采用高密度聚乙烯加热融化后需与原设计 PE护套相配套。聚乙烯材料化学性质需稳定,在斜拉索可预计的暴露温度和使用寿命下不会有老化和软化现象;材料与钢丝的粘着力应使保护层与钢丝不产生相对运动;同时要确保高密度聚乙烯保护层 100% 防水,有色高密度聚乙烯有抵抗紫外线降解能力。修补用材料同其主要性能满足《斜拉桥热挤聚乙烯高强度钢丝拉索技术条件》(GB/T 18365)以及《无粘结钢绞线斜拉索技术条件》(JT/T 771)的要求。

(2)PE 螺旋线焊条需与原设计螺旋线相配套。该材料需有抵御各种不良气候的能力,至少应含有不少于 2%碳黑。

8 维修工艺

(1)根据施工月份天气情况同时考虑到牵引钢丝绳会下挠,挂篮高空行走过程中,斜拉索维修顺序从最外侧向内侧进行施工,从而在一定程度上避免了斜拉索维修完成后因施工原因对已维护的斜拉索PE及PVF缠包胶带表面触碰磨擦造成损伤。表面 PE 轻微划伤可直接进行打磨处理。

(2)深度损伤

对于斜拉索PE护套表面小面积局部的划伤,用美工刀修整缺陷部位,并剖割成坡形,将相同的PE原料放在修补区上,覆盖破损处,用钳子或螺丝刀固定好,然后用热风塑料焊枪连续焊好,再用角磨机进行表面打磨处理,使损坏处恢复原有的保护厚度,并使斜拉索表面基本恢复原有的平整状态。施工过程注意塑料焊枪热风温度不要太高(180℃左右),以免修补处烧焦。

对于比较深、范围较大的开裂露钢丝,修复面积大于10cm2的损伤处,采用加热套管进行护套修复[1],要求补丁方正规则、美观,修复工艺相对复杂,修复人需要具备较高的技术水平。

9 结语

以中朝鸭绿江界河公路大桥为工程背景,建立了北方高寒地区大跨度桥梁斜拉索护套耐久性维护工艺体系,采用行走挂篮方式,结果表明该方法满足施工规范要求,为斜拉索护套维修工作提供参考。