索承橋快速換索技術發展現狀與應用*

楊 超，徐一超

（1.在役長大橋梁安全與健康國家重點實驗室，江蘇 南京 211112；2.蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 211112）

拉吊索是索承橋中的可更換構件，及時更換受損拉吊索對保障在役索承橋的安全至關重要。相關調查數據顯示，現有換索工程中，拉吊索的平均使用壽命還不到20年。近年來，又有一批索承橋陸續地進行了換索，如撫順天湖大橋、湖北鄖縣漢江大橋、衡山湘江大橋、銅陵長江公路大橋等，也呈現出一些特點和趨勢。

1 技術發展現狀

1.1 換索工程的技術方案設計及施工工序逐漸成熟

近年來的換索工程報道，基本上是以具體的橋梁為工程背景，提出針對性的施工技術方案。在方案設計中，多依靠有限元軟件計算，保證施工過程中及換索后，斜拉索、主梁、橋塔等結構的變形、應力及強度驗算通過。現有換索工程分為部分更換斜拉索和全部更換斜拉索兩種，施工工序逐漸成熟，一般為舊索放張→舊索拆除→新索安裝與張拉→索力調整。對稱換索、優先損傷嚴重的斜拉索、優先長索等換索順序的優先級考量逐漸成為工程界的共識，并已發展出同時更換多對索的技術方案。

1.2 不中斷交通條件下快速更換拉索成為換索工程發展趨勢

大多數換索工程需要中斷交通，因此漫長的施工期會帶來局部地區的交通問題。不中斷交通條件下實現快速換索是今后換索工程的發展趨勢。相應地，構件及設備的標準化、在交通荷載下換索方案的合理設計及交通限制措施的選擇等都是亟待解決的問題。

重慶涪陵長江大橋建成后15年，斜拉索出現病害，需快速更換全橋斜拉索。為解決快速施工重難點問題，采取以下技術方案：換索施工前鑿除原橋面鋪裝，中斷交通；基于無應力狀態控制法優化換索順序，同時更換多根斜拉索；采用自制大行程大噸位鏈條快速牽引裝備等先進機械設備。最終，全橋換索工期僅用112d，基本實現索力零調整，成橋狀態的結構安全、狀態受控，斜拉索索力偏差最終控制在5%以下。由此可見，快速換索技術有望在未來大范圍普及。

最新研究也顯示，在不中斷交通條件下實現換索，對于城市干道或高速公路的咽喉性交通樞紐有著重大意義。其技術關鍵在于通過行車效應的影響性分析，以確定交通組織設計中的車速限制條件。該研究中，以某長大橋梁為背景，方案中采取半封閉交通施工，限速20km/h，并施工中采取施工前公示、分流等，在施工中派專職交通員疏導和控制交通，保證在不中斷交通條件下斜拉索更換施工的順利進行。

由此可見，在應對交通擁堵問題方面，不中斷交通實現快速換索應運而生，未來也必將有廣闊的應用前景。

2 技術發展趨勢

目前，更換拉索，僅可依靠《公路斜拉橋設計細則》《大跨度斜拉橋平行鋼絲斜拉索》等標準的部分條文，尚未形成成熟的標準或規范體系，在換索工程中，多次采用的施工工序、換索順序等是否可成為標準仍有待考量。另外，換索多依據等強度原則或無應力長度相等的原則。施工前，通常需要對斜拉橋的斜拉索索力及主梁線形等指標進行精準測量，在換索工程實施過程中，對斜拉索索力、主梁線形進行實時監控，可保證結構安全及施工可靠。

但換索工程多發生在服役多年后的橋梁，考慮到材料隨時間劣化、設計荷載的增加等不利因素，除斜拉索外，結構其余構件還存在損傷累積，與設計建橋時的索力值和結構內力狀態不同，以換索前的橋梁狀態為目標狀態存在一定安全隱患。所以，換索方案如果僅是以新索代替舊索的簡單做法，并不能對主梁線形、結構內力有較大助益，有必要在現有換索理念基礎上，進一步合理優化索力，改善整體結構的內力狀態，盡可能降低安全隱患發生的可能性。

更換下來的舊索往往除了腐蝕損傷部位力學性能下降嚴重，其余完整部分仍具有一定的承載能力，因此如何重新利用舊索，減少資源浪費，保證橋梁全壽命周期內的經濟效益最大化也是工程界關注的重點。

20世紀以后建成的索承橋也將逐步經歷換索，因此這些問題亟待深入研究與解決。目前，公路索承橋換索技術規程正在編制中，有望在不久后出臺，為工程應用提供可靠指導。

3 工程應用

索承橋吊桿，尤其是長吊索的更換，涉及比較復雜的橋梁受力狀況，需要對其工藝流程、方案等進行詳細分析。研究通過數值模擬、模型試驗和監測數據相結合的手段，開展了以下工作。

首先，在大橋跨中西側43號短吊索進行了傾角測試，以便更好地分析跨中縱向位移的運行狀況。監測采用傾角儀，采樣頻率為20Hz，最大轉動2～3°。由于短吊索長度為2.16m，換算為大約10cm縱向位移。同時還可以觀察到，縱向位移的運行周期在100s左右。縱向傾角變化圖如圖1所示。

其次，健康監測系統得到的跨中GPS縱向位移如圖2所示，可以看出縱向位移量在10cm左右，最大可達12.5cm，周期為100s左右。由此可以得知，跨中短吊索位置由于主纜和主梁的縱向相對位移，存在2～3°的轉動。

圖1 縱向傾角變化圖

圖2 跨中箱梁GPS縱向位移變化

同時，通過數值模擬研究，建立全橋有限元模型，通過三吊點和五吊點的方案比較，確定了采用五吊點方案，如圖3所示。

圖3 五吊點方案

最后，為了控制臨時吊索索力，保障梁端耳板結構安全，對吊索梁端錨固區域建立實體模型進行有限元計算，如圖4所示。并制作1∶1實體模型進行強度試驗，最終確定臨時吊索張拉力不超過240t。

2018年4月27日，工作人員完成了對某長大橋梁下游19#吊索的更換。根據模擬計算情況，在封閉下游一個車道的情況下，下游19#吊索更換采用五吊點張拉提升釋放19#吊索索力后拆除更換的方式。即分級同步張拉臨時吊索至19#吊索拆除狀態，拆除舊吊索、安裝新吊索后，分級同步均勻卸載臨時吊索，使新吊索參與受力。換索過程中，對臨時吊索張拉力、張拉位移、近36根吊索索力進行監測，并與模擬計算情況進行對比，確保換索過程安全可控。

圖4 梁端錨固區實體有限元模型

4 結論

綜上所述，中斷交通或部分中斷交通的換索技術已經基本成熟，完全不中斷交通的快速換索將成為未來發展的趨勢，因此工作人員需要對其相關的標準化工序及設備、行車效應影響等做全面的考慮。在快速換索基礎上，優化結構受力狀態，實現舊索再利用，進一步推動索承橋的可持續發展。