國內外懸索橋主纜加固實例研究

嚴新江

近幾十年來,隨著交通事業的蓬勃發展,經過我國橋梁建設者的不懈努力,已經掌握了設計及修建各種橋型的能力。在懸索橋的設計、施工方面,我國雖然起步較晚,但發展很快,尤其是在20世紀80年代以后,我國的懸索橋建設更是突飛猛進,從世界上第一座鋼筋混凝土自錨式懸索橋——大連金灣橋到世界排名第四位的江陰長江大橋,無不令世界矚目。但隨著我國交通事業的不斷發展,各種車輛的荷載等級也有很大的提高,以及在風、雨、洪水、冰凍、溫度變化和濕度等自然因素侵蝕下,有些懸索橋已出現不同程度的損傷,比如主纜松弛、吊桿應力過大的不均勻變化、主梁下撓等,甚至逐漸演變為危橋。對這類橋梁亟需加以檢測維修,采取相應的技術改造措施以保證懸索橋的正常安全運營。

本文首先介紹了國內外此類懸索橋主纜檢測與加固的現狀,然后給出了世界各國對中小跨徑懸索橋主纜加固的實踐,最后建議今后的橋梁加固設計規范在一定情況下允許對主纜進行加固。

1 主纜檢測與加固現狀

一般認為懸索橋的主纜在適當的防腐工藝下和維護下,在運營期內可以滿足使用要求。然而一方面在惡劣的自然環境,往往導致橋梁運營數十年后,主纜的實際狀況很差,尤其是早期修建的懸索橋,由于在對主纜的保護上經驗不足,保護漆失效,索股中的潤滑油大部分蒸發,從而導致索股的腐蝕。另一方面,由于交通量或其他形式流量的日益提高,荷載等級提高后原有主纜安全系數將降低,安全系數不應低于規范的限值。目前,懸索橋主纜的加固方法有更換主纜、新增主纜和新增斜拉索等方式。其中,主纜的更換存在的最大問題是主纜是永久性錨固在錨碇里面的,不像斜拉橋的斜拉索在失效后可以很方便地進行更換。在國內,懸索橋主纜更換或新增尚未見諸報道,而且《公路橋梁加固設計規范》12.1.2[1]建議懸索橋主纜不宜更換或加強,主纜或錨碇承載能力不足時可降低荷載等級使用。國外進行主纜更換的有多米尼加共和國的Puente Duarte大橋[2]和法國的Aquitaine大橋[2]等,國內有對中小跨鋼桁懸索橋新增斜拉索進行加固的實例。

2 主纜加固實例

2.1 更換主纜

Puente Duarte大橋新的主纜錨固在舊地錨后的新地錨上。新索鞍安裝在跨過舊索鞍的附加結構上,這樣在傳遞荷載時新舊主纜在垂直方向可相互通過,通過可調長度的臨時吊桿將舊主纜向上拉,新主纜向下拉,使主纜達到設計位置,新索鞍將跨過舊索鞍。這種方案使新舊主纜在荷載轉移時能在豎向移位,吊桿通過一個連接在現有索夾上的在豎向可以調節長度的臨時桿件來傳遞荷載,以保證舊索能夠升高,同時千斤頂設備可以把新主纜拉下來。最初的設想是當荷載傳到新索時在錨碇中頂起舊索端部鋼絲束,給新背索施力面釋放舊背索應力。后來方案修改為向塔頂平移索鞍,通過相對新主纜把桁架位置上移來傳遞部分荷載,然后從索夾中分開鋼絲束,允許它們從索鞍后面滑過以完成荷載傳遞,這樣不用減小錨碇中索的應力(見圖1)。

在1998年,法國Aquitaine大橋的監測顯示主纜出現嚴重的銹蝕,決定更換主纜。原主纜將由橫移橋面外2 m的新主纜所取代。橋面包括:20 m寬的車道、寬1.7 m的自行車道和兩邊設置的欄桿。通過固定在加勁梁上的加寬懸臂,將橋面接到吊索上(見圖2)。吊索本身通過索卡固定在索夾上,另一端通過錨頭固定在加勁梁上,為垂直設置。新主纜有回轉功能。它由61根股繩組成,即55股正常股纜(φ 60 mm)和6股角股纜(φ 42 mm),以形成具有回轉功能的形式。它們在原有的地錨外通過。經過散索鞍的偏移板托穿過錨固前梁,錨固在用先張預應力混凝土制作的錨固后梁上。新主纜同原主纜有著同樣的標高。主纜在偏移板托切點處的標高及中跨的標高同原有的標高相同,只在塔頂處提高了44 cm。在橋塔頂部,新主纜同原主纜相比向外橫移2 m。偏移板托的偏移量為2.73 m。

2.2 新增主纜

新增主纜可以有兩種方式:1)在已有主纜的上方直接安裝一個新的懸索,水平分力由位于已有錨碇兩側新的鋼筋混凝土錨碇來承受。2)在平行已有主纜的邊上增加主纜。

國外進行新增主纜來擴建橋梁的例子有跨越里斯本市塔古斯河的懸索橋[3],最后的設計是在原有主纜上方的3.7 m處設一根350 mm的新的平行鋼絲索作為輔助主纜,在該主纜上設有由4股鋼纜組成的吊索,各吊索的間距為23 m,與原有吊索交錯(即每根新吊索的位置設在每兩根原有吊索的中間),見圖3。

2.3 新增斜拉索

該加固技術源于懸索斜拉組合受力體系,新增的斜拉索兩頭分別錨固在塔頂和加勁梁上,斜拉索產生的水平分力由加勁梁來承擔,需同時對加勁梁進行加固。國內提出對已有簡易懸索橋采用新增斜拉索進行改建設計的有福建建甌市的慈口懸索橋[4](見圖 4,圖 5)。

大連理工大學橋梁工程研究所在大連小平島圣島大橋改造工程中[5],提出了斜拉—懸索協作體系方案,即在原有懸索橋的基礎上增加斜拉索,以滿足活載等級增加的要求,其立面如圖6所示。新增斜拉索分三個索面,包括兩個邊索面和一個中索面。斜拉索在主跨內分為五束環氧涂層填充型鋼絞線,每束為7φ 15.2(邊索面)或 5φ 15.2(中索面)型。主橋主梁下新增設三道鋼箱梁,鋼箱梁梁高1.2 m,其中兩道邊梁,一道中梁,在原橋吊桿處用環氧涂層填充型鋼絞線將混凝土梁和鋼梁上下連接在一起。新增鋼梁既可以增加主梁的承載能力,同時也抵抗新增斜拉索的水平力。

3 結語

本文對國內外懸索橋對主纜檢測及加固方面的新技術進行了介紹,并做了實例分析,為今后該類懸索橋主纜的加固提供了參考,為進一步完善橋梁加固規范積累了資料。

[1] JTG/T J22-2008,公路橋梁加固設計規范[S].

[2] Pontd'Aquitaine:deremplacement[J].Travaux,2001,780(11):46-54.

[3] 嚴國敏.《1997里斯本結構工程中的新技術國際學術會議》論文集[C].2000:771-778,869-876.

[4] 周新年,鄭麗鳳,游明興,等.柔性吊橋設計理論及其應用研究Ⅳ.簡易柔性懸索橋總體設計方案研究——福建省建甌市慈口懸索橋例析[J].福建林學院院報,2001,21(3):203-206.

[5] 王會利.自錨式斜拉—懸索協作體系橋結構性能分析與試驗研究[D].大連:大連理工大學博士學位論文,2006:12.