悬索桥缆索体系转换施工方案研究

摘要 某钢桁构悬索桥换索工程，注意围绕缆索体系转换带来的索力影响，加强换索施工方案比选。文章基于工程应用，介绍相关缆索体系转换工艺、缆索置换施工方案比选等技术内容。案例比选结果：由跨中向1/4跨处交替张拉（方案三），其加力梁受力和下挠量均显著低于其他方案，因此确定以该方案进行换索施工。

关键词 悬索桥；缆索；体系转换；施工方案；比选研究

中图分类号 U448.25文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）23-0133-03

0 引言

悬索桥缆索体系施工转换，一直是该型桥梁施工工艺研究和现场施工安全控制重视的一个技术内容，某钢桁构悬索桥换索工程基于换索操作流程，围绕缆索体系转换带来的索力影响，加强换索施工方案比选，用优选方案进行施工，较好保证了工程施工安全，如期完成任务。这里基于工程应用，介绍相关缆索体系转换工艺以及缆索置换施工方案比选等技术内容，希望为悬索桥缆索体系转换施工方案制定和选择应用提供技术参考。

1 工程概况

某钢桁构悬索桥，跨度配置46 m+120 m+34 m 。缆索为直径15.20 mm钢绞线，主缆为10根φ15.20 mm的平行钢绞线，采取预应力抗滑桩和重力式锚碇相结合的倒“L”式复合锚碇。原桥面采取“雉碟形”的异性正交钢桥面板，采取16a槽钢纵梁，纵梁铺焊厚度1 cm钢板，板上横向焊接防滑钢筋，筋上铺厚度1.5 cm沥青砂发挥防锈作用。塔柱采取等截面三角形钢管混凝土桁构，单塔柱断面为内填C40混凝土的φ400×6圆钢管，外包厚10 cm的C40混凝土构成复合结构。3根塔柱通过腹杆连接，腹杆为φ200×6钢管混凝土结构。桥梁所在地区降水量大、湿度高。桥检报告显示，主缆和上下游两侧以及主缆内外均严重存在锈蚀病害，虽然缆索表面锈迹可以被清除，但内部钢绞线锈蚀却修复较难，而且雨水的侵蚀会在若干年后加剧主缆的锈蚀程度，单凭涂抹保护层已不足以持续维持主缆安全。主缆承载力检算的系数最小值是0.75。一侧边跨的上游侧有2根缆索松弛受力比较小，3根缆索基本松弛不受力。另一侧边跨有4根缆索松弛不受力，3根缆索松弛受力比较小，因此有必要更换主缆。

2 有限元模型

为了分析不同施工场景下各结构部件受力情况，应用悬索桥非线性分析系统，建立桥梁有限元分析模型。模型中包括缆索、主缆、桥塔、加力梁和千斤顶。主缆以空间分段悬链线索单元进行模拟，加劲梁和桥塔以离散空间梁单元进行模拟，缆索以杆单元和索单元模拟，千斤顶则以杆单元进行模拟。

3 换索装置与操作流程

3.1 换索装置

在原缆索基础上拆卸原U形拉杆，并装配新直拉杆，将架高后主缆和原缆索连接在一起，实现了体系转换。完成转换后，可以通过调整U形拉杆的长度，实现缆索力的转换。

3.2 换索流程

3.2.1 工前准备

（1）在更换索之前，需要对全桥的索力、线型、塔肢偏位等开展测量。此时需要对全桥进行临时交通封闭，需要对桥塔、混凝土桥面板、主跨钢梁以及边跨混凝土梁等部位做病害检查，修复混凝土裂隙和其他病害，高强度螺栓松动要更换等。

（2）锚具以及减振器处理。拆卸斜拉索减振器，清理梁端锚管，主要清理去除锚管填充物。

（3）在更换索之前，必须先清理去除旧索锚上的杂物、油脂等，清理浮锈，然后进行除锈处理。查验锚具螺纹有否存在损伤，如有损伤则需进行打磨处理。

（4）准备作业机械，进行必要的技术和安全交底。

3.2.2 体系转换工艺流程

索缆新旧体系转换工艺流程：

（1）索塔封顶以前，装配塔顶门架、索鞍底板、边跨猫道承重索预置件。

（2）浇筑锚碇立柱之前，装配边跨猫道和散索套的预设件。

（3）架设检测标线，装配塔顶门架、主索鞍以及散索套。

（4）装配中跨脚手架支架和边跨猫道，架设支架平台和猫道。

（5）装配起重机和牵引装备，装配导向滚轮。

（6）调节主索鞍后仰量和给予临时固定。

（7）装配和调节基准索股，开展整形、提升、横移以及入鞍操作，以型钢锚固系统实施调股。

（8）装配其余索股构成主缆，调节主缆线型。

（9）装配锌块压紧鞍盖，拆卸索鞍临时约束。

（10）推顶主索鞍，调节主缆线型至设计空缆状态。

（11）拆卸起重牵引装置和塔顶门架。

（12）索夹位置放样，装配中跨索夹和边跨无缆索夹。

（13）按照既定的施工顺序，拆除原有的U形拉杆，装配直拉杆，并将原有的缆索逐根安装到新主缆上，这个过程需要分阶段顶推索鞍，以完成新老索缆体系的转换。首轮置换缆索主要以控制张力为主。

（14）调整缆索的设计张力、主缆的线形和桥面线型，以符合要求。多轮次的调节缆索以控制张拉长度为主。

（15）进行主缆、直拉杆的防腐和旧缆的拆除施工。

（16）进行顶板、锚碇前墙和混凝土鞍罩以及避雷系统的施工。

（17）拆除支架和貓道。

3.2.3 更换缆索

完成主缆紧缆及调节操作后，开始索夹位放样和安装，接着进行转换缆索体系操作，所有缆索均通过直拉杆与原缆索相连。更换缆索的具体步骤如下：

（1）索夹定位、装配缆索拉杆及索夹。

（2）新旧主缆线形复测，计算至主缆中心线至缆索上锚头距离，确定无应力直拉杆下料长度。

（3）拆卸原U形拉杆，装配新直拉杆。

（4）强化对桥面线型的监控量测，如发现异常情况，应马上停止操作，查明原因并处理合格后再进行。当全桥吊拉杆更换完毕后，再进行原主缆的拆除工作^[1]。

4 换索施工方案比选

4.1 比选原则

为了保证缆索置换和张拉过程的有效性和操作安全，需要选择一种合理的置换工序。其原则有以下几点：首先要确保新旧主缆的最大张力，尤其是旧缆的安全系数，在合理范围内；其次要控制新旧缆索的最小和最大张力，避免发生缆索不受力或索力变化过大等情况。还要保证张拉过程中缆索张力变化不宜过大；最后考虑加劲梁受力和主塔受力等因素以及加力梁整体向下移位的空间是否有限。在实际施工过程中，由于各种原因，部分控制指标可能会偏离理论分析，因此还需要及时采取措施进行偏差调整。施工中难免会发生一些偏差，需要及时采用措施进行调整。

4.2 方案比选

缆索张拉及体系转换多采取从两侧主塔节段向跨中推进或从跨中节段向两侧主塔推进的施工方法，以确保两侧桥塔受力均匀和施工方便。在遵循这一原则的基础上，还需综合考虑吊装加力梁的对称性，因此通常分为对称与非对称装配两种方式。大多数悬索桥采用对称装配方式，而一些特殊情况下则采取非对称装配方式，初始安装时可以按非对称方式进行，随后两侧逐步恢复平衡，再开展对称装配。

该工程在分析阶段，按照常规思路，对2种施工方案进行了分析。方案一是从两则主塔向跨中推进的施工方案（如图1所示）；方案二是从跨中向两侧主塔推进的施工方案（如图2所示）。通过比较各项参数，最终确定由跨中向主塔推进的方案三更優。案例实施跨中支架体系转换，基本不受作业面和施工顺序限制，在可以增加作业面的基础上，设定同时由桥塔和跨中向1/4跨开展张拉方案（如图3所示）。通过比较，此方案比前2种方案的施工中结构受力更合理，因此方案三优于前两种方案^[2]。

4.3 结果分析

4.3.1 旧缆索内应力分析

旧缆索由2部分构成，第1部分是平行的钢丝绳缆索，它的结构与原始缆索相似，但状况较好，可以在整个操作过程中不更换。第2部分是连接旧主缆U形螺杆，根据检测数据和现场情况，发现U形螺杆受到了极端气候和潮湿环境的影响，大部分已经严重腐蚀，导致其结构受力截面减小，施工时需要防止旧索在转换体系过程中影响其他未更换缆索U形螺杆的受力。

下面通过模拟分析，探讨3种施工方案对缆索U形螺杆的应力影响。通过对3种方案模拟分析，把握转换体系过程中旧索U形螺杆内应力变化情况。分析显示，不同施工方案中，旧索的U形螺杆受力呈现出相似的特征。在方案一中，新旧索缆转换体系过程中，四分之一跨处的索力明显增加，最大索力是原索力4倍以上，不利于结构应力控制。在方案二中，尽管最大索力比方案一小，但变化较为剧烈，也不利于结构应力控制。方案三是在前述两方案基础上的优化方案，采取多作业面施工，尽可能避免了索力变化剧烈、个别索力过大问题。同类体系转换作业，增加作业面的方式能够有效降低施工中索力高于成桥状态，对施工安全控制非常有利。

4.3.2 旧主缆内应力分析

主缆是悬索桥的关键部件，一旦主缆发生断裂，将会导致整个桥系倾覆。旧主缆腐蚀较为严重，在改造工程前期，还需要旧主缆承受作业载荷以及转换体系过程中的应力波动，因此对于改造施工作业，一定程度存在着安全隐患。因此在旧桥加固和新旧索缆体系转换操作方案分析中，要首先考虑旧主缆的应力安全问题。

体系转换操作中旧索缆最大内部应力变化如图4所示。分析显示，在方案一的转换过程中，从桥塔向跨中的推进操作阶段，旧主缆内部应力明显呈现上升趋势，而在后续换索操作阶段，其内部应力则呈现明显下降趋势。这种情况不利于旧索缆的索力控制。方案三相较于方案一和方案二，其主缆内部应力变化相对更均匀、更缓和一些。此外从图中可以发现，方案三的主缆内部应力变化更近于直线，而方案二则呈现先缓后急过程，且主缆内部应力变化不够均匀。在单个工况下，方案二的主缆内应力变化量要大于方案三。综合考虑前述因素，方案三的主缆内部应力模拟结果最佳^[3]。

4.3.3 加力梁内应力分析

该工程前期已经完成了加力梁耐候钢加固养护工作量，因此目前其结构状态相对良好，未发现存在明显的结构屈曲和局域损坏。该次施工原加力梁结构不变，仅在转换新旧结构体系时，将旧主缆受力转换至新主缆，从加力梁结构应力和形变看，也是方案三表现出明显优势。在施工操作中，方案三加力梁受力比较小，加力梁下挠量显著低于其他方案，施工过程更为安全，综合考虑作业中新旧结构的安全性，确定方案三为优化可行方案。

5 结语

结合案例工程应用，进行了悬索桥缆索体系转换工艺以及施工方案比选研究。

（1）介绍了换索装置与操作流程。换索装置即在原缆索基础上拆卸原U形拉杆并装配新直拉杆，将架高后主缆和原缆索连接在一起，实现了体系转换。完成转换后，可以通过调整U形拉杆的长度，实现缆索力的转换；体系转换包括17个技术环节；更换缆索包括4个步骤。

（2）介绍了换索施工方案比选过程和分析结果。主要比选原则包括确保新旧主缆的最小和最大安全张力在合理范围内，注意加力梁应力应变分析；案例应用有限元模拟计算进行缆索内应力分析，案例分析显示，由跨中向1/4跨处交替张拉（方案三）其加力梁受力和下挠量均显著低于其他方案（由桥塔向跨中张拉（方案一）和由跨中向桥塔张拉（方案二）），因此确定以该方案进行换索施工。该文要点对悬索桥换缆工程中的缆索体系转换施工方案选择及现场施工应用，有一定技术参考意义。

参考文献

[1]谢峰. 山区钢桁加劲梁悬索桥加固设计方法研究[D]. 重庆：重庆交通大学， 2015.

[2]解玉侠. 悬索桥锚碇系统腐蚀状况评估与对策研究[D]. 重庆：重庆交通大学， 2013.

[3]刘建兵. 悬索桥吊拉组合加固技术研究[D]. 重庆：重庆交通大学， 2011.

收稿日期：2023-09-19

作者简介：肖德理（1984—），男，本科，一级建造师，从事公路桥梁相关工作。