既有斜拉橋換索狀況綜述

成永強

1 斜拉橋的發(fā)展概況

斜拉橋是一種主要由索、塔、梁三種基本結(jié)構(gòu)組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系,以主梁受軸向力(密索體系)或受彎(稀索體系),拉索受拉和索塔受壓為主。

自從1938年德國工程師Dishinger首先提出現(xiàn)代斜拉橋設(shè)計構(gòu)思理論以來,迄今全世界已修建斜拉橋300多座。雖然我國斜拉橋建造技術(shù)起步較晚,但自從1975年第一座斜拉橋在四川云陽建成以來,已修建斜拉橋100多座,其中跨徑超過200 m的有60多座。表1列出了世界上主跨跨徑大于500 m的18座斜拉橋。

2 換索斜拉橋

斜拉橋雖然在過去70年里得到了蓬勃的發(fā)展,但由于斜拉橋建造初期理論的不成熟,施工過程的復(fù)雜多變,營運階段養(yǎng)護部門的管養(yǎng)不力,導(dǎo)致既有斜拉橋在人為作用、環(huán)境因素以及結(jié)構(gòu)材料內(nèi)部因素等作用下,結(jié)構(gòu)老化、承載能力下降,特別是斜拉橋拉索構(gòu)件破損最嚴重。表2列出了國內(nèi)外已換索的23座斜拉橋。

表1 大跨徑斜拉橋

表2 斜拉橋換索情況

從表2中既有斜拉橋換索情況來看,所有已換索斜拉橋拉索使用壽命均小于20年,遠遠小于現(xiàn)有斜拉橋的設(shè)計基準期,并且在23座已換索斜拉橋中有19座位于我國。之所以我國有這么多斜拉橋需進行換索來延續(xù)生命,主要是因為我國斜拉橋建造技術(shù)仍然落后,因設(shè)計、施工周期太短考慮不足,后期管養(yǎng)不力,特別是拉索索體材料以及拉索防護技術(shù)研究不足。

3 換索斜拉橋拉索病害

長期裸露于自然環(huán)境中的拉索構(gòu)件,在人為作用、自然環(huán)境和材料自身因素作用下處于高應(yīng)力工作狀態(tài),極易導(dǎo)致拉索防護系統(tǒng)破損。在拉索防護系統(tǒng)破損后,拉索鋼絲部分將發(fā)生腐蝕破壞,由于拉索鋼絲處于高應(yīng)力狀態(tài),因而鋼絲對腐蝕影響非常敏感,在鋼絲發(fā)生腐蝕后拉索極限承載力退化加快,最終導(dǎo)致拉索不能繼續(xù)承載而必須將其更換。

通過對國內(nèi)外既有斜拉橋拉索現(xiàn)存病害的分析可知:導(dǎo)致既有斜拉橋拉索破壞的主要原因有以下幾種:

1)腐蝕。斜拉索的腐蝕主要是由于拉索與周圍介質(zhì)發(fā)生電化學(xué)作用,造成氧化還原反應(yīng)所致。拉索鋼材中的合金元素、滲碳體及其他雜質(zhì)往往構(gòu)成陰極,鐵元素構(gòu)成陽極,當(dāng)拉索表面凝結(jié)和吸附水汽而形成水膜時,就構(gòu)成了無數(shù)微電池,導(dǎo)致拉索腐蝕。另外,空氣中的氧氣、二氧化硫及二氧化碳等還會不斷地溶解到水膜中去,促進鐵元素的電離,加速拉索腐蝕。

對于PE套管內(nèi)壓注水泥漿的拉索防護系統(tǒng),由于混凝土化學(xué)組成的局部差異、不同的充氣條件以及鋼筋表面的不均勻性導(dǎo)致產(chǎn)生拉索腐蝕所需的電位差,使得電子通過鋼筋從陽極流向陰極,從而造成鋼絲腐蝕。

在內(nèi)部干燥的情況下,水泥漿的離子電導(dǎo)率極低,即使碳化深度達到也難以發(fā)生鋼絲腐蝕,但在鋼套管、鋁套管、聚乙烯套管內(nèi)壓注的水泥漿會產(chǎn)生泌水現(xiàn)象,常常使套管中水泥漿不能快速凝結(jié)為水泥石。由于未凝結(jié)水泥漿的電導(dǎo)率遠比干燥硬化的水泥石大,以及在未充滿水泥漿的空隙中有氧氣的存在,導(dǎo)致鋼絲的腐蝕。

另外,由于拉索錨具初始缺陷的存在,后期防護的不當(dāng),雜物和水分將進入錨具預(yù)埋鋼導(dǎo)管導(dǎo)致錨具銹蝕,嚴重影響了拉索的使用壽命。

2)疲勞。在交通荷載、風(fēng)荷載和地震力作用下,拉索構(gòu)件長期處于交變應(yīng)力工作狀態(tài),導(dǎo)致拉索發(fā)生疲勞損傷破壞,特別是在拉索錨具端口附近疲勞影響最大甚至導(dǎo)致拉索發(fā)生斷絲破壞。

3)施工質(zhì)量損傷。1988年6月通車的廣東九江大橋在現(xiàn)場制索時,由于工藝粗糙、保護措施不力,導(dǎo)致索體先天性的損傷,進而加速了PE保護層的老化、破壞和鋼絲的銹蝕。

美國Luling橋,由于施工不當(dāng)造成拉索切口、刻痕、套管搭接失敗和鋼絲對接失敗而不得不對72根拉索中的42根進行修整。

4)松弛引起的損傷。由于松弛,拉索無法保持初始長度和應(yīng)力,使防護體系與索體鋼絲脫節(jié),致使防護體系出現(xiàn)裂隙并發(fā)展成常規(guī)裂縫,從而使鹽和其他化學(xué)物質(zhì)侵入,腐蝕鋼絲。

日本某座斜拉橋在竣工后不到五年,拉索的松弛伸長量就達到了11.8%,使拉索無法維持原有設(shè)計長度和應(yīng)力,危及既有斜拉橋結(jié)構(gòu)體系的安全性。

4 換索實踐經(jīng)驗

1)委內(nèi)瑞拉的馬拉開波(Maracaibo)橋。在換索作業(yè)時,為了保證梁、索、塔處于安全范圍內(nèi),采取逐根更換的方式,并采用相應(yīng)的輔助索。2)英國的伍埃(Wye)橋。由于單股索的布置會使換索工程施工難度加大,且工期較長,故將原有拉索全部換成新的雙索體系。另外為了避免將橋面拉得太高使該橋處于超限應(yīng)力狀態(tài),需在張拉新索后立即拆卸舊索[5]。3)廣州海印橋。以先外索(長索),后內(nèi)索(短索)為原則,并結(jié)合原有拉索的損害嚴重程度和臨時的搶修特例酌情調(diào)整換索順序,以取得安全、快速、方便的換索效果[5]。4)濟南黃河公路橋。該橋的換索原則是盡量不改變結(jié)構(gòu)的受力狀況,適度調(diào)整索力和改善線形,以保持既有橋梁結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)連續(xù)、統(tǒng)一。5)廣東九江大橋。換索作業(yè)遵循下列四條原則:a.換索及調(diào)索過程中,以線型控制為主,索力控制為輔;b.換索期間對橋梁進行全面監(jiān)控;c.換索期間限制交通量;d.換索后保證拉索安全系數(shù)均大于2。6)犍為斜拉橋。為了保證換索過程中不發(fā)生舊索斷裂事故,并且使換索后主梁、主塔應(yīng)力在規(guī)范規(guī)定限值內(nèi),對該橋進行多工況仿真計算分析,最終決定換索順序為:單塔對稱,全橋反對稱同時進行。7)三達地怒江大橋。換索順序采用由長索到短索依次進行更換,兩岸上下游同時進行。換索施工中以索力控制為主,標高控制為輔。換索完成后,即對索力進行調(diào)整,以達到全橋索力優(yōu)化的目的。

5 經(jīng)驗總結(jié)

通過對已有的換索實踐經(jīng)驗的總結(jié)分析,可發(fā)現(xiàn)這些換索實踐存在很多共同點,具體如下:1)在換索施工前期,對全橋進行病害檢測,適當(dāng)加固補強,提高全橋安全度。2)在換索過程中,對橋面標高、索力進行精確監(jiān)控。3)盡量不改變結(jié)構(gòu)的受力現(xiàn)狀,適度調(diào)整索力和改善線形,以保持現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)連續(xù)、統(tǒng)一。4)大多數(shù)在保證車輛正常運行的情況下進行換索工作。5)均采用當(dāng)時最先進的技術(shù),結(jié)合橋梁實況進行新索研究設(shè)計。

雖然從已有的換索實踐經(jīng)驗中能獲得很多值得學(xué)習(xí)推廣的結(jié)論和方法,但已有的換索實踐同時也暴露出很多嚴重的不足:

1)拉索承載能力評定經(jīng)驗化。2)對換索期間既有斜拉橋結(jié)構(gòu)體系安全可靠性分析較少。3)換索順序經(jīng)驗化。4)換索索力確定經(jīng)驗性。

可見,既有斜拉橋換索工程在確定換索順序和換索索力方面的理論研究仍然處于起步階段,大多憑借專家經(jīng)驗,缺乏理論依據(jù)。因而使既有斜拉橋結(jié)構(gòu)體系在換索過程中存在安全隱患,即使既有結(jié)構(gòu)安全完成換索作業(yè),也無法保證既有結(jié)構(gòu)在換索結(jié)束后能處于穩(wěn)定、均衡的受力狀態(tài)。鑒于此,本文建議將概率論、隨機過程以及結(jié)構(gòu)體系可靠性分析理論引入既有斜拉橋結(jié)構(gòu)可靠性評估中,對換索過程中的既有結(jié)構(gòu)體系進行安全評定,對換索索力的確定提供指導(dǎo),從而為既有斜拉橋結(jié)構(gòu)體系換索工程提供必要的理論依據(jù)。

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