非洲多跨懸索橋吊索更換后的橋面線形優(yōu)化控制

李大龍 李敬德

摘 要：莫桑比克SAVE河舊橋是一座長870 m（120 m+210 m×3+120 m）的四塔五跨懸索橋，已臨近50年的設(shè)計(jì)使用壽命，產(chǎn)生了吊索系統(tǒng)疲勞和混凝土梁損壞等問題，同時(shí)橋體本身缺乏維修、車輛超載以及重載車輛不斷增加使得在修復(fù)過程中更換吊索時(shí)發(fā)生了舊吊索索力失效、主塔橫向支座錯(cuò)位等問題，線形難以控制。本文以該橋梁的修復(fù)為例，通過現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)橋面線形有起伏、不勻順、呈波浪狀的現(xiàn)象，采取考慮操作平臺(tái)自重進(jìn)行計(jì)算、精確吊索下料長度和嚴(yán)控索夾滑移的措施，從而達(dá)到橋面線形的優(yōu)化控制。

關(guān)鍵詞：多跨懸索橋;吊索更換;線形優(yōu)化控制;索夾

0 概述

非洲大多數(shù)現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施較為陳舊，甚至為殖民時(shí)期所建造，由于歷史原因，導(dǎo)致年久失修，維護(hù)不到位，致使一些橋梁超負(fù)荷或者帶病運(yùn)轉(zhuǎn)，出現(xiàn)各種質(zhì)量問題，亟待得到解決。

莫桑比克SAVE河橋由埃德加·卡多佐教授在20世紀(jì)60年代設(shè)計(jì)，建造時(shí)間尚處在葡萄牙殖民統(tǒng)治時(shí)期的1969年至1972年。它位于莫桑比克伊尼揚(yáng)巴內(nèi)省與索法拉省交界，是一座長870 m（120 m+210 m×3+120 m）的四塔五跨懸索橋，如圖1所示，橋面寬度11.6 m，布置2條寬3.6 m的車道和2條寬1.85 m的人行道。該橋橋梁結(jié)構(gòu)形式非常獨(dú)特，其設(shè)計(jì)目的是表現(xiàn)由三角式吊索體系支承的、帶柔性混凝土梁的多跨懸索橋潛力。

SAVE河舊橋位于莫桑比克南北唯一的交通要道EN1國道的咽喉部位，多年來一直承擔(dān)著該國南北交通運(yùn)輸?shù)闹匾?zé)任。該橋設(shè)計(jì)使用壽命50年，目前已經(jīng)使用了49年，其體系實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)者最初的構(gòu)想，但近些年該橋出現(xiàn)了吊索系統(tǒng)疲勞和混凝土梁損壞等問題。這些問題的產(chǎn)生在某種程度上應(yīng)歸咎于缺乏維修和近年來重載車輛數(shù)量的驚人增長。

SAVE河舊橋主纜的公稱直徑為190 mm，由鍍鋅平行鋼絲組成。吊索的公稱直徑為55 mm，由鍍鋅平行鋼絲組成，通過索夾與主纜連接，交叉錨固在橫梁上。全橋共328根吊索，吊索在主梁上的錨固距離為10 m。為提高橋梁的整體剛度及抑制風(fēng)振，全橋設(shè)置了斜向吊索，并在主梁內(nèi)安裝有2道縱向剛性索鋼束。

通過現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)橋面線形有起伏、不勻順、呈波浪狀的現(xiàn)象。具體表現(xiàn)有：（1）跨中上拱在主塔處下沉，并存在主塔處橫向支座發(fā)生豎向錯(cuò)位的情況;（2）前后相鄰伸縮縫處測點(diǎn)高程出現(xiàn)突變，橋面線形不平順;（3）由于主梁橫向扭轉(zhuǎn)及以往換索時(shí)未注意標(biāo)高索力的調(diào)整等原因造成目前吊索受力不均勻，橋面線形呈波浪狀;（4）索夾滑移導(dǎo)致吊索受力不均;（5）吊索疲勞銹蝕導(dǎo)致部分索力失效。目前橋面線形呈起伏狀，橫橋向高差較大，根據(jù)此狀況，本項(xiàng)目擬通過恢復(fù)索夾位置，控制吊索長度的方法將懸索橋的空間線形調(diào)整勻順。主梁橋面線形測量采用全站儀觀測橋面上已布設(shè)的橋面線形監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)位置與設(shè)計(jì)院檢測測點(diǎn)的位置一致，如下圖2所示，全橋共84對吊點(diǎn)，橋面線形監(jiān)測點(diǎn)共計(jì)168個(gè)。

本文以SAVE河舊橋?yàn)槔U述在非洲面對類似基礎(chǔ)設(shè)施維修項(xiàng)目時(shí)，所采取的相關(guān)措施，進(jìn)而制定出優(yōu)化控制方案。

1 線形控制要因分析

在吊索更換進(jìn)行橋面線形控制時(shí)發(fā)現(xiàn)橋面縱向線形有超過60 cm的高差，而橫橋向高差最值超過15 cm，通過對線形控制的要因進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)操作平臺(tái)自重的影響、吊索下料計(jì)算長度存在誤差和索夾自身滑移是導(dǎo)致線形控制無法達(dá)到預(yù)計(jì)標(biāo)高的三個(gè)主要因素。

1.1 操作平臺(tái)自重對線形產(chǎn)生的影響

主塔上下游兩根主纜在大小里程方向共四個(gè)部分，主纜操作平臺(tái)架設(shè)完成并前進(jìn)時(shí)，這四部分的主纜都產(chǎn)生了不同程度的高差變化，這說明操作平臺(tái)的自重使得主纜標(biāo)高發(fā)生變化，且在平臺(tái)移動(dòng)后并未完全回彈，故在計(jì)算時(shí)需要提前考慮。

1.2 吊索下料長度計(jì)算不精確

索夾至上錨頭的距離以及穿過橋面板的吊索管道的長度及角度并非為預(yù)設(shè)的定值，存在較大的差異，需要在計(jì)算時(shí)重新考慮。

1.3 索夾自身滑移

懸索橋在50年前主纜布線準(zhǔn)確度不高，部分位置主纜截面呈現(xiàn)鼻形而非圓形，這導(dǎo)致索夾無法完全與主纜貼合，弱化索夾自身的摩擦力以導(dǎo)致滑移。同時(shí)現(xiàn)場僅使用大型扳手緊固螺桿，對于緊固力無法準(zhǔn)確掌控。

2 線形優(yōu)化控制措施

針對線形控制要因的分析，通過以下措施使得線形控制得到優(yōu)化。

2.1 考慮施工平臺(tái)自重重新測算主纜下沉及回彈值

測算索夾位置時(shí)，將施工平臺(tái)的自重所影響的主纜下沉進(jìn)行測算。同時(shí)考慮到主纜年代久遠(yuǎn)，主塔上下游兩根主纜在大小里程方向四個(gè)部分的受力和形變特性已產(chǎn)生明顯差別，在考慮主纜受力下沉?xí)r在適宜環(huán)境下對四部分主纜上的索夾需分別進(jìn)行測算并重新計(jì)算主纜下沉和回彈數(shù)值，以修正索夾的實(shí)際位置坐標(biāo)，達(dá)到精確計(jì)算的目的。

2.2 精確吊索下料長度

假定修正后的索夾空間坐標(biāo)為 X1，Y1，Z1;

預(yù)設(shè)吊索與橋面板接觸點(diǎn)坐標(biāo)為X2，Y2，Z2;

故，應(yīng)力狀態(tài)下此部分吊索長度為：

L1=;

故，吊索彈性變形部分的長度為L2=L1-l4-l3+l1。

已知吊索彈性模量為196 500，吊索截面積為1 197.73，以及每根吊索的設(shè)計(jì)索力;

故，吊索彈性部分的無應(yīng)力長度為L3=。

由L3即可進(jìn)一步計(jì)算出施工現(xiàn)場半成品吊索的最終下料長度。

l1代表索套管由下錨頭端部到橋面板的距離，l2代表下錨頭長度，l3代表上錨頭長度，l4代表主纜中心到索夾上絲口的距離。

舊吊索拆除完成以后，試裝上錨頭，并核查錨頭距離l4;

拆除完成管道內(nèi)的舊吊索以后，測量吊索套管長度l1，以修正最終的計(jì)算結(jié)果。經(jīng)測量全橋每根吊索的l1及l(fā)4均有變化，修正數(shù)值以后可優(yōu)化最終橋面標(biāo)高。

2.3 增強(qiáng)舊索夾的抗滑能力

利用舊吊索鋼絲填充鼻形主纜的斷面空隙，以保證主纜形成圓形，與舊索夾盡可能貼切。舊索夾上的緊固螺栓不能擰得太緊，否則荷載作用后會(huì)出現(xiàn)提前屈服的情況，也不能擰得太松，否則作用力不滿足抗滑要求則會(huì)出現(xiàn)滑移。設(shè)計(jì)給出的8.8級(jí)螺栓緊固力為屈服力的70%，即220 kN。通過扭力扳手試驗(yàn)得出結(jié)論，在螺栓加墊片及黃油以消除材料自身摩擦力后，當(dāng)扭力扳手達(dá)到850NM時(shí)，螺栓受力為220 kN左右。通過以上措施保證了舊索夾上更換的新螺栓可達(dá)到適當(dāng)?shù)木o固力，以保證舊索夾不出現(xiàn)滑移。

3 線形優(yōu)化控制結(jié)果及分析

通過對線形控制要因：操作平臺(tái)自重的影響、吊索下料計(jì)算長度存在誤差和索夾自身滑移的分析，采取考慮施工平臺(tái)自重重新測算主纜下沉及回彈值、精確吊索下料長度以及增強(qiáng)舊索夾的抗滑能力，使得橋面標(biāo)高達(dá)標(biāo)率得到顯著提高，標(biāo)高偏差在橋面標(biāo)高各監(jiān)測點(diǎn)位與預(yù)設(shè)標(biāo)高的差值小于2 cm;各個(gè)梁段上下游橋面標(biāo)高的橫向差值小于2 cm;達(dá)標(biāo)率從70%提高到了92%。同時(shí)SAVE河舊橋吊索更換后橋面標(biāo)高一次性達(dá)標(biāo)，大大節(jié)約了再次提升下放，增減墊板的施工時(shí)間及工程風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約項(xiàng)目工期及成本。

SAVE河舊橋臨近設(shè)計(jì)使用壽命，在使用過程中缺乏維修養(yǎng)護(hù)，且作為該國南北唯一通道，重載車流量不斷增加，橋體、主纜及吊索損害嚴(yán)重，部分吊索在端頭腐蝕非常嚴(yán)重。因此在進(jìn)行施工時(shí)施工方案考慮實(shí)際情況，對主纜變形、索夾滑移及其他因素進(jìn)行重新測算和考慮，以保證線形得以優(yōu)化控制。

4 結(jié)論

（1）在吊索更換過程中應(yīng)考慮施工平臺(tái)自重的影響，同時(shí)針對主纜性能的變化進(jìn)行拆分測量計(jì)算;

（2）在進(jìn)行吊索下料長度計(jì)算時(shí)，對于部分吊索管道應(yīng)分別進(jìn)行計(jì)算，不能采用預(yù)設(shè)值以減小誤差;

（3）在吊索更換過程中應(yīng)提高索夾抗滑能力，控制索夾滑移，以優(yōu)化線形控制。

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