涪陵長江大橋換索設計

田　波, 梁　健

(四川省交通運輸廳公路規劃勘察設計研究院， 四川成都 610041)

?

涪陵長江大橋換索設計

田波, 梁健

(四川省交通運輸廳公路規劃勘察設計研究院， 四川成都 610041)

【摘要】重慶市涪陵長江大橋，主跨采用330的雙塔雙索面橋。大橋建成通車已15年，全橋的斜拉索病害問題較為突出，對大橋的安全性造成了嚴重影響。為保證大橋結構和運營安全，提高橋梁的耐久性能，對全橋斜拉索進行了更換。文中主要介紹該橋換索涉及的相關設計內容及其技術特點。

【關鍵詞】斜拉橋；換索；設計

1工程概況

重慶市涪陵長江大橋于1994年11月動工興建，1997年5月正式通車運營。橋梁全長652.17 m，共4跨，跨徑組合20 m北岸引橋+(149+330+149) m主橋；橋面凈寬18 m(凈15 m+2×1.5 m人行道)。主橋為5跨雙塔雙索面斜拉橋，采用塔梁分離式懸浮體系(圖1)。斜拉索采用高強低松弛φ7鍍鋅鋼絲，標準強度1 600 MPa，共8種規格。斜拉索均采用鋼絲現場制作，熱擠PE防護，冷鑄墩頭錨。

圖1　主橋總體布置

2主橋狀態

2.1橋梁結構線形

主塔變位：主塔塔頂間距從1997年竣工至2009年累計變化量為4.7 cm，向河側傾斜。

主梁撓度：竣工時，主梁跨中設置了0.33 m的預拱度。從1997年通車至2009年，跨中累計下撓了0.36 m,其中1997年～2003年累計下撓了0.32 m,從2003年～2009年累計下撓了0.04 m。

可以判定索塔、主梁由于收縮、徐變產生的變位及下撓已基本完成，目前主梁標高已基本穩定。

2.2拉索索力

2009年索力實測值與1997年成橋測試值相比，偏差范圍在-22.3 %～33.5 %之間:有5根索的索力測試值偏差超過±8 %，占總數的2.36 %；有17根索的索力測試值偏差超過±5 %，占總數的8.02 %；其余索的索力值偏差在±5 %以內，占總數的89.6 %。

與1997年成橋相比，整體索力值的變化不很明顯，索力變化主要由于混凝土結構收縮徐變造成，屬于正常現象。但長壽側中跨上游6號和7號索力，涪陵側邊跨上游17號、18號、20號索力均超出1997年成橋測試索力值±10 %以上，最大值達到-22.3 %及33.5 %,索力較為異常。

2.3斜拉索PE護套及鋼絲

從全橋PE護套檢測統計結果可以看出，全橋共212根斜拉索，有154根斜拉索存在PE護套病害，病害率73 %。其中存在較為嚴重的病害斜拉索61根，嚴重病害率29 %。

從全橋抽查的36處拉索開索統計結果可以看出，斜拉索鋼絲的整體銹蝕情況處于輕微銹蝕至中度銹蝕(圖2)。全橋共開索抽查33根索36處，有7處開索后鋼絲無銹蝕，占19.4 %；有8處開索后鋼絲處于輕微銹蝕，占22.2 %；有18處開索后鋼絲處于一般銹蝕，占50 %，有3處開索后鋼絲處于中度銹蝕，占8.3 %；鋼絲存在銹蝕的比例總的為80.6 %(表1)。

圖2　斜拉索鋼絲銹蝕分級

抽查33根拉索開索36處無銹蝕(Ⅰ類)輕微銹蝕(Ⅱ類)一般銹蝕(Ⅲ、Ⅳ類)中度銹蝕(Ⅴ類)7處8處18處3處比例19.4%22.2%50%8.3%

2.4主梁及索塔狀態

主梁整體狀況較好，無結構受力裂縫。斜拉索主梁錨固齒板，有14處出現錨固受力裂縫。主塔的總體現狀較好，未發現結構受力裂縫。

2.5原因分析

(1)施工原因：全橋的斜拉索在歷史背景下均采用現場制作。現場制作的斜拉索較工廠制作的成品索在制作工藝存在較大局限性，造成質量上較難控制，導致斜拉索PE護套出現質量缺陷，如PE融化不完全、不密實、有蜂窩、鼓包、接頭縮徑等。雖然多數缺陷已做了處理，但僅限于表面處理，在這些缺陷處還是極易出現開裂、破損等病害。從現場檢查結果看，多數開裂、破損處有質量缺陷，有維修處理過的痕跡。掛索施工時未對斜拉索進行足夠的防護，導致斜拉索安裝時產生大量劃痕，在劃痕嚴重處易出現開裂、破損等病害。

(2)養護原因：由于斜拉索攀爬困難，日常檢查和養護維修無法實施，對斜拉索病害無法提前預防，對已經出現的病害也無法及時進行維修處理，導致病害的發生和發展。

(3)環境因素：本橋已運營14年之久，斜拉索PE護套在紫外線的照射、風霜雨雪的侵蝕下，PE會逐漸發生老化現象，在缺陷或薄弱處易發生病害。

(4)荷載作用：隨著經濟的增長，車流量和重車比例均飛速增長，在反復荷載作用下也會加速病害的發生和發展。

(5)其它原因：主要是由于以往維修時對病害的修補質量不好，導致新修補處重新出現病害或原病害重新暴露。

3換索總體目標

(1)換索后大橋仍保持原設計的技術標準。

(2)換索方案針對性強，安全可靠，過程中會減小對原結構的損傷。

(3)重視方案的可施工性，細化工藝流程，確保加固質量。

(4)換索設計重視拉索耐久性能。

4換索設計

4.1換索工序設計

全橋斜拉索及其錨固構造的全部更換。換索工況為6#～15#一次更換2對(4根)斜拉索，其余拉索一次更換1對(2根)斜拉索。

(1)在橋塔的下橫梁與主梁間設置臨時支座。

(2)換索的程序：由雙塔同時反對稱進行，由內索開始逐索更換直至外索，最后更換垂直吊索；換索順序為：(長壽側中跨上游i#索、長壽側邊跨上游i#索)同時拆除更換→(長壽側中跨下游i#索、長壽側邊跨下游i#索)同時拆除更換→(涪陵側中跨上游i#索、涪陵側邊跨上游i#索)同時拆除更換→(涪陵側中跨下游i#索、涪陵側邊跨下游i#索)同時拆除更換。當全橋i#索更換完成后，再按上述順序重復更換(i+1)#拉索。每次更換同一塔側相同索號的兩根斜拉索，其中，6#～15#索同一索塔的4根同索號可一次更換斜拉索。拉索編號見圖3。

(3)同一索號的斜拉索每次于塔柱上游側更換兩束然后再更換下游側兩束，更換完成以后，再更換另一塔柱，交替進行，直至該索號全部束均更換完畢后，再進行下一索號的更換。

(4)在更換斜拉索時，每索均按設計給定的索力進行張拉錨定，待同一索號斜拉索全部束均更換完畢后，全部的束再同時張拉進行索力調整，使其達到給定的索力；沒有特殊情況該索不再進行二次張拉調索。

(5)同一索號的斜拉索全部更換完畢后，除進行索力影響面的測試外，還應該進行臨近點橋面的高程測量，根據測試數據，決定是否調整索力。

圖3　拉索編號示意圖

4.2卸索工藝

(1)利用反力架、連接器張拉螺桿、接力螺帽、拉伸機，按新計算索力為依據，雙塔反對稱、單塔雙向對稱同時進行拉索分級松張。卸索以變形為主控制索力變化，每次1～5 cm同步放松。放松時密切注意兩側松張的索力，變形保持同步，以保證索塔兩側不產生偏載，受力平衡。

(2)利用千斤頂行程及引出桿螺母逐步放索，待拉索無應力時(一般不高于1 MPa)，再用塔柱上卷揚機滑車卡緊拉索，先卸下千斤頂反力架、引出桿，再利用卷揚機將索徐徐放下。考慮到原索壓漿后剛度大，不易彎折，則宜在橋面上設卷揚機動力牽引，引導放下，同時固定下索端，然后在下錨管出口處用氣割逐絲割斷舊索，分別卸下運出現場。

4.3新索安裝工藝

(1)張拉時，按順序先放錨杯大螺帽，再放大墊板，其次是大螺帽，反力架，千斤頂，大螺帽。油泵開動少許供油，千斤頂張拉缸保持適量的油壓后(約1 MPa)，調整千斤頂反力架，使之與錨管在同一軸線上。

(2)張拉采用張拉力與伸長值雙控，分級張拉，持荷5 min。其目的是為了使雙向千斤頂張拉力均衡進行，避免索塔單向受力過大。待同一索號斜拉索雙塔反對稱、單塔雙向對稱同時進行張拉達到給定的索力后(設計控制應力)，沒有特殊情況，該索不再張拉。

(3)橋面高程測量應在卸索前、卸索后、張拉后分3次進行，測點主要是斜拉索在主梁錨固處和橋的跨中，以密切注意橋面高程變化。施工完成后，對以前完成的索的標高重新復測，為換索的全過程提供驗證依據。

(4)對拉索張拉值的量測方法，以施工中標定配套的油壓表控制張力，配以傳感器作為自檢手段，同時按計算及檢測結果為依據調整指令，完善最終的張拉控制作為自檢手段。

4.4拉索設計

本橋更換采用的斜拉索均采用兩端已裝好錨具的成品拉索。受梁體及索塔內預埋管道尺寸的限制，更換斜拉索仍采用熱擠聚乙烯高強鋼絲拉索。

鋼絲采用橋梁纜索用鍍鋅鋼絲，鋼絲直徑7 mm，直徑允許偏差±0.07 mm，不圓度≤0.07 mm，鋼絲抗拉強度≥1 770 MPa，彈性模量(2.0±0.1)×105MPa。聚乙烯護套采用黑色和彩色高度雙層護套料，護套料在直接承受大氣環境因素的作用下，應具有較好的抗老化壽命。拉索外表面應設置螺旋線等抗風雨振構造。冷鑄錨錨杯和錨圈選用優質碳素結構鋼或合金結構鋼。胚件應為鍛件，經調質熱處理，外表面鍍鋅。

為提高拉索的耐久性，斜拉索錨固端應增加不銹鋼防護罩，提高拉索長期使用的防護能力。主梁和索塔拉索套管內填充聚氨酯發泡材料，以阻止水份的進入。梁上拉索套管出口處采用不銹鋼防護罩，加強該部位的防護效果。為避免接近橋面2.5 m范圍內的拉索被人為損壞，對此高度內的拉索表面包裹不小于1.0 mm厚的不銹鋼管。在主梁及索塔斜拉索導管出口端安裝阻尼減震器。

5換索計算分析

5.1計算分析總體目標

(1)按照換索計算和索力優化兼顧原則。

(2)保證換索施工過程橋梁結構安全。

(3)通過對張拉索力的優化，改善橋梁運營期間的應力狀況。

(4)在換索過程和換索完成后主梁和主塔不產生過大的位移變化。

5.2計算分析階段劃分

調整偏差值較大索力→去除舊的橋面鋪裝→在索塔橫梁處對主梁施加1 000 kN的頂升力(每肋500 kN)→在索塔橫梁處對主梁設置臨時支承→由近及遠(距索塔)依次換索→更換欄桿、鋪裝新的橋面鋪裝。

換索過程中，新索的控制張拉力兼顧三方面：一是一次張拉到位，換索完成不需再調索；二是換索過程中主梁的應力控制在合理的范圍之內；三是換索完成后主梁的應力(運營階段最不利組合)、位移及索塔的位移控制在合理的范圍之內。

5.3主要計算成果

5.3.1索力值

更換拉索過程中，拉索索力主要由其兩側3對索承擔，兩側5對索之外的拉索索力基本無變化。本次換索調索索力值為原設計索力的81 %～119 %，調索索力值為換索前實測索力的80 %～119 %。安全系數見表2。

表2　斜拉索的安全系數

5.3.2主梁應力

拉索在拆除時，主梁上緣壓應力增大，下緣拉應力增大，隨著離更換拉索處距離的增大，上下緣應力變化幅度逐漸減小，其影響范圍主要局限在拉索兩側3個節段(即18 m)之內。張拉新拉索后，梁上應力水平基本能恢復到換索之前的狀態。成橋狀態與運營階段的主梁應力見表3、表4。

5.3.3主梁及索塔變位

主梁及索塔位移計算結果見表5、表6。

6主要技術特點

(1)根據項目橋梁實際狀態，制定換索設計方案，針對性強，可實施性好。通過換索設計提高了橋梁的安全性和耐久性。

表3　成橋狀態主梁應力　MPa

表4　運營階段主梁應力　MPa

*注：受壓為正值，受拉為負值

表5　主梁位移

表6　主塔位移

(2)換索計算分析，索力優化與主梁應力控制、塔梁變位兼顧的原則，保證換索過程橋梁結構的安全可靠，同時優化了換索工序。

(3)換索過程根據計算分析的結果，采用6#～15#一次更換2對(4根)斜拉索，其余拉索一次更換1對(2根)斜拉索的方式，提高了施工效率。

(4)為提高拉索的耐久性，從材料、結構細節構造、工藝進行了細化設計，提高了拉索的耐久性。

7結束語

本項目于2012年6月開工，2012年12月完成。是目前長江上第一座完成全面斜拉索更換的大型橋梁，可為同類橋型的換索實施提供了參考和借鑒。

參考文獻

[1]JTG/T D65-01-2007 公路斜拉橋設計細則[S].

[2]四川省交通運輸廳公路規劃勘察設計研究院.涪陵長江大橋技術改造施工圖設計文件[R]. 2012.

[3]王文濤. 斜拉橋換索工程[M]. 2版. 北京:人民交通出版社, 2006.

[作者簡介]田波(1974～)，男，工程碩士，高級工程師，從事橋梁工程設計及研究工作。

【中圖分類號】U445.7+4

【文獻標志碼】B

[定稿日期]2015-11-02