超高強(qiáng)度鋼絞線拉索在舊橋換索中的設(shè)計(jì)應(yīng)用

朱 元，李 翔，韋耀淋，吳勇翔

（柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州 545006）

0 引言

鋼管混凝土拱橋吊桿在20世紀(jì)90年代開始得到了廣泛應(yīng)用，隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，橋梁的承載也隨之增大，并帶來一系列的問題。由于我國八九十年代拉索設(shè)計(jì)技術(shù)水平有限，基本上都是在現(xiàn)場采用平行鋼絲墩頭制錨，并在套管內(nèi)灌注水泥砂漿對鋼絲進(jìn)行防腐，這一措施導(dǎo)致拉索防腐能力差、使用年限短。

近年來隨著交通流量的不斷增大，超載現(xiàn)象嚴(yán)重，更是加快了吊桿的損壞，特別是拱腳附近的幾個(gè)短吊桿損壞更加明顯。普遍存在吊桿位置錯(cuò)位以及PE開裂、吊桿鋼絲銹蝕、吊桿上下錨頭銹蝕等現(xiàn)象，這些問題造成吊桿使用壽命普遍在10年左右。因此需要定期對鋼管拱橋的吊桿進(jìn)行檢查檢測，以便及時(shí)更換破損吊桿以延長吊桿使用壽命。

在施工過程中存在如下問題，導(dǎo)致吊桿無法順利更換：

（1）20世紀(jì)之前的拱橋吊桿大多數(shù)采用鋼絲墩頭吊索，拱肋及系梁內(nèi)預(yù)埋孔道較小，且橫梁結(jié)構(gòu)尺寸小，無法擴(kuò)孔，目前這種產(chǎn)品已經(jīng)停產(chǎn)。

（2）因孔道內(nèi)灌注混凝土導(dǎo)致管道清理困難。

（3）目前市場上的新吊桿為成品索結(jié)構(gòu)，因吊桿錨頭尺寸大于原預(yù)埋管孔道無法更換。

在這種情況下，常規(guī)的更換方案為以下幾種：

（1）采用鋼拉桿吊桿方案，但鋼拉桿存在剛度太大、疲勞性差、防腐難度高、使用壽命短的風(fēng)險(xiǎn)和不足之處。

（2）鋼絲冷鑄墩頭錨方案，這種吊桿結(jié)構(gòu)錨頭尺寸大，只適合預(yù)埋孔道大的結(jié)構(gòu)中，因此在舊橋吊桿中都是預(yù)埋管孔道偏小，無法穿過冷鑄錨頭，除非破壞橋梁結(jié)構(gòu)的原有孔道才有可能實(shí)現(xiàn)換索要求，如果采用這種方式很容易造成損傷橋體的風(fēng)險(xiǎn)，且造價(jià)費(fèi)用大。

針對目前存在的工況，急需研發(fā)出一種既可快速更換舊吊桿、無須破壞橋梁原結(jié)構(gòu)體、性能更可靠、使用壽命更長，且施工周期短、成本低的新型拉索。

目前超高強(qiáng)度鋼絞線已經(jīng)成功運(yùn)用于橋梁結(jié)構(gòu)工程中，如果可以開發(fā)出一種采用超高強(qiáng)度鋼絞線制作的拉索，通過提升單根鋼絞線的承載能力，降低鋼絞線的用量，縮小鋼絞線拉索的結(jié)構(gòu)尺寸來替換舊吊桿，就可以解決以上存在的問題。楊帆[1]等人在對鋼絞線整束擠壓拉索在舊橋換索工程中的運(yùn)用的研究論文中，提出了鋼絞線擠壓拉索的設(shè)計(jì)原則和拉索結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新帶來的換索好處。

1 工程概況

濟(jì)南順河高架橋于1998年建成通車（見圖1）。橋梁全長90m，橋面全寬25.5m。上部承重構(gòu)件為90m的鋼管混凝土拱肋，左右各一片，拱肋斷面為桁架式，由4根鋼管組成，鋼管內(nèi)部灌注50號混凝土。兩側(cè)拱肋之間設(shè)置4道一字式桁式橫撐。每側(cè)拱肋下有16根吊桿，拱肋拱腳間設(shè)4根系桿。跨越膠濟(jì)鐵路線采用90m的下承式鋼管混凝土剛架系桿拱橋，下部結(jié)構(gòu)型式為墻式橋臺，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋面由預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制橫梁、現(xiàn)澆連續(xù)橋面板組成，瀝青混凝土橋面鋪裝，毛勒式伸縮縫。

圖1 濟(jì)南順河高架橋

全橋共有32根吊桿，所有吊桿都存在不同程度的表觀病害，有劃痕刮傷、涂層起皮、燒痕凹陷等。21根吊桿上錨頭漏油現(xiàn)象較為嚴(yán)重，23根吊桿下錨頭漏油現(xiàn)象較為嚴(yán)重。吊桿系統(tǒng)典型的病害如圖2和圖3所示。

圖2 拉索滲漏現(xiàn)象

圖3 錨頭生銹

針對上述情況，且原墩頭鋼絲吊桿市場已經(jīng)被淘汰，必須在當(dāng)前市場上尋找一種錨頭尺寸能夠適用于工程要求的新拉索體系進(jìn)行更換，以確保工程能夠適應(yīng)惡劣環(huán)境并提高吊桿防腐能力和提升拉索的承載功能。

2 吊桿更換方案選擇

拉索分類及主要技術(shù)參數(shù)對比見表1。

2.1 常規(guī)方案對比

表1 常規(guī)吊桿參數(shù)對比

通過對以上吊桿結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析對比可以看出，其中LZM型鋼絲吊索為成品索結(jié)構(gòu)，夾片式鋼絞線為單根平行鋼絞線拉索（非成品索）,GLG型為高強(qiáng)鋼拉桿結(jié)構(gòu)。只有GLG型鋼拉桿吊桿才可以通過內(nèi)徑為134mm的原預(yù)埋管孔道。

因原墩頭錨吊桿結(jié)構(gòu)目前市場已經(jīng)淘汰停產(chǎn)，如果采用鋼拉桿結(jié)構(gòu)，由于鋼拉桿剛度大、疲勞差、防腐差，容易發(fā)生腐蝕，不適應(yīng)吊桿的自由擺動(dòng)糾偏結(jié)構(gòu)需求，安全性較差。另外，石偉[2]等人針對大直徑鋼拉桿的機(jī)械性能進(jìn)行了研究，提出了鋼拉桿在吊桿中運(yùn)用存在工藝上的缺陷或不成熟的地方，會帶來一些隱患，因此采用鋼拉桿的方案被否決。如果采用LZM型鋼絲冷鑄錨，錨頭結(jié)構(gòu)尺寸偏大，必須對孔道進(jìn)行擴(kuò)孔才可能滿足安裝要求。但該項(xiàng)目工況比較復(fù)雜，不允許進(jìn)行擴(kuò)孔，因此這一方案也不能滿足吊桿更換需求。為確保修補(bǔ)工程能夠順利實(shí)施，必須開發(fā)一種新型的超高強(qiáng)度鋼絞線整束擠壓拉索來實(shí)現(xiàn)快速換索。

2.2 新設(shè)計(jì)方案開發(fā)

在該項(xiàng)目中，如果采用OVM.GJ型鋼絞線整束擠壓拉索體系[3]，對應(yīng)1860MPa級15.2mm的鋼絞線整束擠壓拉索，至少需要18根鋼絞線，其錨頭尺寸為150mm，仍然無法通過預(yù)埋管。因此考慮到原橋梁設(shè)計(jì)方案，長吊桿實(shí)際載荷為1015kN，原吊索有4.5倍的安全系數(shù)要求（設(shè)計(jì)富余度大）。如果能將長吊桿的安全系數(shù)調(diào)整至3.5倍以上，但仍然滿足橋梁規(guī)范設(shè)計(jì)要求，則可按照1860MPa級15.2mm的鋼絞線換算索力，鋼絞線拉索根數(shù)仍需14根，但是1860MPa級別的擠壓拉索體系目前只有15孔的，錨頭尺寸為140mm，而原預(yù)埋孔道為134mm，還是無法通過原預(yù)埋管。

根據(jù)GJ型鋼絞線整束擠壓拉索產(chǎn)品的基本原理進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高其錨固夾持能力來實(shí)現(xiàn)對超高強(qiáng)度級別的鋼絞線即2200MPa級鋼絞線進(jìn)行錨固夾持。為了開發(fā)這個(gè)強(qiáng)度級別的鋼絞線整束擠壓拉索產(chǎn)品，歐維姆公司黃穎[4]等人通過對原GJ型產(chǎn)品進(jìn)行升級研究，取名為GJ15B型超高強(qiáng)度級鋼絞線整束擠壓拉索。針對以濟(jì)南順河高架橋項(xiàng)目為例的類似項(xiàng)目，結(jié)合設(shè)計(jì)要求開發(fā)了GJ15B-12型2200MPa級15.2mm的吊桿產(chǎn)品作為長吊桿替換DM5-151型鋼絲吊索。

GJB15型鋼絞線吊索結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 GJ15B型鋼絞線整束擠壓拉索

此結(jié)構(gòu)主要是在GJ15型鋼絞線整束擠壓吊索錨固結(jié)構(gòu)上的升級設(shè)計(jì)改進(jìn)，其研發(fā)技術(shù)要求主要是以下幾點(diǎn)：

（1）提升錨固結(jié)構(gòu)的夾持性能，能夠保證其靜載錨固效率不小于95%。

（2）改善吊索的疲勞穩(wěn)定性能，提升其疲勞壽命。

（3）通過采用超高強(qiáng)度鋼絞線制作成整束擠壓拉索體系，在同等承載力拉索結(jié)構(gòu)上，可以將錨固套的直徑相對縮小14%，更方便原預(yù)埋孔道小的工況下實(shí)現(xiàn)換索。

（4）拉索組件的疲勞性能滿足0.4fptk應(yīng)力上限，200MPa應(yīng)力幅，200萬次的疲勞。

2.2.1 方案改進(jìn)措施

由于鋼絞線抗拉強(qiáng)度的提高，對錨固套的夾持握裹能力提出更高要求，常規(guī)的錨固套無法滿足性能要求，2200MPa鋼絞線的強(qiáng)度比1860MPa提高340MPa，即單根鋼絞線極限拉力提高47.6kN，如果仍采用現(xiàn)有錨具，則錨固效率只有90%～93%，故需要對拉索錨固結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)鋼絞線的錨固效果[3]。具體優(yōu)化措施如下：

（1）改善錨固套的握裹長度，通過延長有效夾持段的長度來增加握裹力。

（2）改善錨固套端部的楔形夾具，通過改變楔形角度來實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)握裹力。

（3）增加錨固套的徑向擠壓力來實(shí)現(xiàn)對鋼絞線的夾持。

2.3 新方案試驗(yàn)驗(yàn)證

2.3.1 靜載試驗(yàn)驗(yàn)證

通過對錨固套的改進(jìn)設(shè)計(jì)和輔助夾持零部件進(jìn)行了調(diào)整，保證拉索滿足《預(yù)應(yīng)力筋用錨具、夾具和連接器》（GB/T14370—2007）的相關(guān)要求。試驗(yàn)論證結(jié)果見表2，對GJ15B-12型、GJ15B-19型鋼絞線擠壓拉索靜載試驗(yàn)如圖5和圖6所示。

表2 GJ15B型拉索靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖5 GJ15B-12型靜載試驗(yàn)

圖6 GJ15B-19型靜載試驗(yàn)

通過以上三組型號的錨索各進(jìn)行了三組靜載試驗(yàn)可以看出，錨固套完全能夠夾持住2200MPa級的鋼絞線，并且各指標(biāo)參數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.3.2 疲勞性能驗(yàn)證

疲勞性能的驗(yàn)證試驗(yàn)完全采用濟(jì)南順河高架橋項(xiàng)目使用的12孔吊索規(guī)格作為1∶1試驗(yàn)，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參考《斜拉橋熱擠聚乙烯高強(qiáng)鋼絲拉索技術(shù)條件》（GB/T18365—2001），滿足應(yīng)力上限 0.4fptk，應(yīng)力幅250MPa，疲勞次數(shù)200萬次[3]。疲勞試驗(yàn)依據(jù)見表3。

針對這次疲勞試驗(yàn)，對如何提高疲勞性能在結(jié)構(gòu)上和握裹密封材料上分別進(jìn)行了改進(jìn)，采用環(huán)氧砂漿替代了聚氨酯材料，并在錨索結(jié)構(gòu)上增加了延長密封裝置[5]。

表3 GJ15B-12疲勞試驗(yàn)依據(jù)

3 順河高架橋項(xiàng)目吊桿更換

3.1 吊桿更換流程

搭建兜吊系統(tǒng)—轉(zhuǎn)換舊吊索力至兜吊系統(tǒng)—割除舊鋼絲索—清楚預(yù)留孔道—新吊桿安裝索力轉(zhuǎn)換—調(diào)索封錨。

3.2 兜吊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目由于鋼管拱肋嚴(yán)重生銹，且地處高鐵鐵路上面，不允許在拱肋上進(jìn)行焊接操作，因此無法在拱肋上端進(jìn)行焊接搭接兜吊轉(zhuǎn)換體系支撐結(jié)構(gòu)。根據(jù)拱肋結(jié)構(gòu)情況，項(xiàng)目組發(fā)明設(shè)計(jì)了一套抱箍式夾持體系作為作業(yè)平臺，如圖7和圖8所示。

利用抱箍對鋼管拱肋的摩擦夾持，通過高強(qiáng)螺栓鎖死兩半式抱箍，再將兜吊平臺固定在抱箍頂面，從而實(shí)現(xiàn)將舊吊桿索力轉(zhuǎn)換至兜吊系統(tǒng)上。

圖7 拱肋抱箍結(jié)構(gòu)

圖8 拱肋兜吊體系

3.3 新吊桿安裝

兜吊系統(tǒng)轉(zhuǎn)換索力后，將新吊索從橋面往拱肋預(yù)埋管穿入，通過葫蘆和吊車工具將新吊索牽引提升至拱肋處，穿入球墊并鎖死螺母在錨頭固定位置。吊桿安裝如圖9所示。

圖9 新吊桿安裝圖

4 結(jié)語

通過開發(fā)超高強(qiáng)度的鋼絞線拉索產(chǎn)品，可以使得拉索結(jié)構(gòu)尺寸更加緊湊，在同等數(shù)量的鋼絞線產(chǎn)品體系中可以承受更大的承載力，從而可以降低鋼絞線重量在橋梁結(jié)構(gòu)中的占比，拉索錨頭結(jié)構(gòu)尺寸可以相對縮小14%以上，實(shí)現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)體系起到優(yōu)化設(shè)計(jì)的促進(jìn)作用。另外超高強(qiáng)度鋼絞線整束擠壓拉索體系錨頭尺寸小，可以在舊橋換索中實(shí)現(xiàn)避免擴(kuò)孔帶來損害橋體結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)，解決了換索施工難度大、舊吊桿孔道小的工況下無法換索的問題。

參考文獻(xiàn)：

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