北方高寒地區大跨度橋梁斜拉索護套耐久性維護方案研究

張曉東

(遼寧新發展公路科技養護有限公司 沈陽市 110005)

1 工程概況

中朝鴨綠江界河公路大橋是我國連接朝鮮民主主義人民共和國(以下簡稱朝鮮) 的重要通道。如圖1所示,鴨綠江界河公路大橋橋孔布置為7×40m+6×40m+6×60m+86m+229m+636m+229m+86m+6×60m+6×40m+7×40m,橋梁全長 3026m(不含耳墻及側墻長度),主橋采用雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋,主跨636m,是目前北方高寒地區最大跨度。

圖1 主橋總體布置圖(單位:mm)

斜拉索采用強度為1670MPa平行鋅鋁合金鍍層鋼絲拉索,符合《斜拉橋用熱擠聚乙烯高強鋼絲拉索》(GB/T 18365—2001)的要求,扇形布置,梁上拉索錨固點橫向間距29.58m, 在主梁上的標準索距為16m,在索塔上豎向標準索距為2.5m、2.6m、2.8m、3.0m四種,第一對拉索至塔梁交叉點距離為21m,全橋共4×19對斜拉索152根,分別為PES7-121、PES7-151、PES7-199、PES7-223、PES7-253五種類型,最長索約350m,最短索約108m,單根索最大重量約30t。鋼絲束外纏繞保護帶,護套采用雙層,內層為黑色高密度聚乙烯,外層為彩色高密度聚乙烯。鋼絲排列整齊密實,同心絞合,最外層鋼絲絞合角3°±0.5°,左旋。扭絞后的裸索外加纏包帶,帶寬30～40mm,單層重疊寬度應不小于帶寬的1/3,雙層纏包。纏包帶右旋。纏包帶采用高強度復合帶。在纏包帶的鋼絲束外擠包高密度聚乙烯護套兩層(黑色和彩色),雙層護套一次成型,成型后的拉索表面光滑平整,護套厚度偏差+1mm。

2 PE護套病害統計

本次維修的中方側共計76 根斜拉索,每根斜拉索均存在缺陷,共1825處,主要缺陷有PE護套劃痕、PE護套破損、螺旋線缺失、螺旋線壓扁四類。其中PE 護套破損缺陷會導致拉索滲水銹蝕,螺旋線缺失壓扁會導致拉索風雨振改變拉索的自振頻率,拉索索力重分布,使主梁線形、受力發生變化。

3 PE護套病害成因

(1)施工原因:斜拉索施工涉及的工序較為繁雜,具體有運輸、存放、卷盤、展開、拖索、吊裝、牽引、錨固、張拉及調整等,而斜拉索的PE護套保護層為柔性聚合物,在運輸、掛索、張拉等施工過程中,斜拉索會不可避免地受到不同程度的損傷。

(2)溫度的影響:遼寧地處東北地區,常年氣溫較低,橋址處年平均氣溫10℃,極端最低氣溫-30℃,極端最高氣溫約35℃,年冰凍期超過150天,由于這些極端天氣的影響,組成拉索材料的鋼材、PE護套,不能同步伸縮,導致拉索的護套出現微裂縫,在外界環境因素的侵蝕下,加速了拉索的老化與損壞。

(3)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。

(4)活載的影響:由于車輛、風、雨等活載的作用,拉索應力變化大,索梁振動加劇,拉索伸長量也發生往復性的變化,這種往復性變化將使得PE護套材料出現疲勞、開裂,破壞防護系統的整體性。

4 拉索PE護套修復處治原則

本設計項目僅針對橋梁檢測時存在的斜拉索 PE 護套表觀缺陷進行耐久性維護, 阻止缺陷進一步發展對構件造成損傷,除特殊說明外,不對橋梁結構或構件進行加固,不提高原結構或構件承載能力。

一般耐久性缺陷維護處治原則: 對于不影響結構承載力的缺陷,考慮進行結構耐久性維護,阻止缺陷繼續發展,提高結構或構件使用年限。

(1)斜拉索 PE 護套破損、劃痕: 對 PE 護套破損缺陷采用熱熔機熱熔 PE 顆粒技術進行修補。修補之前需要對原表層采用打磨機打磨,去除原有污漬,褶皺。修補時由于采用固定的修補模具,每 1 處維護,模具的修補面積為 0.25 m2。

(2)斜拉索 PE 護套螺旋線壓扁: 對螺旋線壓扁缺失缺陷采用熱熔機烘槍加熱PE 焊條,熱熔連接 PE 管,修復螺旋線 技術進行修補。修復螺旋線之前需將原壓扁螺旋線進行切除,保證切除后表面與原 PE 護套表層平齊后重新進行熱熔焊接。 為保證焊接效果,每處缺陷焊接長度保證兩端搭接長度均應不少于20cm。

5 施工行走掛籃設計

(1)如圖2所示,本橋工裝由左右兩個掛籃、一套斜拉索行走機構、上、下滑輪組、獨立控制的電控箱、掛籃框體、兩臺提升機及兩套安全鎖等組成。每組上、下滑輪組采用螺栓連接的方式安裝在斜拉索上,滑輪采用耐磨高強聚氨酯材料加工而成,掛籃各部件均采用螺栓連接的方式。左右掛籃在工作狀態下,必須保持重量大致平衡,施工人員在掛籃上通過對講機自主控制掛籃的同步上升和下降,以便到達需要維護的部位。

圖2 斜拉索維護施工行走掛籃示意圖

(2)如圖3、圖4所示,每個工作面由2副掛籃協同工作,其中行走掛籃作為主施工平臺,沿著斜拉索索體上下爬行,施工人員在掛籃中進行斜拉索檢查、修補及PVF纏包膠帶,垂直掛籃主要作為更換上部導向滑輪點的施工平臺。

圖3 施工行走掛籃設計圖

圖4 斜拉索維護施工現場

(3)卷揚機設置

工作面由1臺5t卷揚機作為掛籃行走牽引動力,主要牽引掛籃沿著斜拉索索體上下爬行。卷揚機安裝位置在工作區索塔底端橋面人行道上,施工時同業主溝通協商,臨時拆除少量外護欄,并做好臨邊防護(待施工完后對外護欄焊接恢復原樣),故將卷揚機一側焊接在內護欄型鋼上并進行加肋,確保焊接質量,卷揚機另一側在人行道側部和頂面種植Φ16mm螺栓,螺母固定2cm厚鋼板,焊接型鋼及卷揚機底座。在卷揚機前后端設置焊接錨點,用鋼絲繩從墩孔中穿入至封嘴內部進行錨固。卷揚機進場進行檢查保養,全面檢查卷揚機鋼絲繩,如有斷絲現象,對鋼絲繩進行更換處理。卷揚機使用前先試運行,重點檢查卷揚機剎車情況。主牽引卷揚機主要是牽引掛籃沿著斜拉索索體上下爬行,副卷揚機用于垂直提升掛籃的上下提升。

(4)設置塔端導向裝置

斜拉索檢查維修施工中,卷揚機或掛籃需要設置施工錨點作為受力點。掛籃的錨固點是固定的,卷揚機鋼絲繩通過固定錨固點后連接掛籃,卷揚機啟動后控制掛籃上下移動。施工人員通過塔內爬梯上至塔頂,在過程中對索塔內側爬梯進行檢查修補,確保爬梯安全,索塔下橫梁至塔底為踏步轉向梯,下橫梁至塔頂為豎直爬梯。

在塔頂人孔處中部安裝固定錨點。錨固點采用雙拼工16進行制作安裝。采用兩根雙拼工字鋼作為主要受力點,左右兩側采用[14槽鋼進行限位,采用單邊種植2個M16的8.8級高強錨栓進行固定,各部位進行滿焊接,滿足焊縫要求。在塔頂混凝土護欄頂端安裝鋼絲繩防損裝置,確保鋼絲繩在受力過程中不受傷,不脫槽,防損防脫裝置采用兩根[12型鋼、角鋼及滑輪進行制作安裝,種植M18膨脹螺栓及焊接原預埋件鋼板進行固定限位,并采用一根特制的安全繩作為保險繩。塔頂施工人員在塔頂端安裝牽引裝置,采用麻繩將牽引鋼絲繩拉至塔頂,利用牽引裝置將Ф16mm鋼絲繩放置梁底,將檢修吊籃主牽引繩(Ф16mm鋼絲繩)牽引至塔頂。

(5)設置塔底端導向滑輪

在索塔底端設置1個10t導向滑輪,導向滑輪固定方式采用在索塔底部鋼箱梁上方焊接工14工字鋼作為預埋件或種植6個M18膨脹螺栓固定型鋼作為導向滑輪裝置。

(6)掛籃布置

掛籃以自動提升機為動力沿著索垂直方向上下移動,通過卷揚機和自動提升機的共同作業,自動提升機帶自動鎖死系統,剎車失靈時自動鎖死。掛籃到達被施工斜拉索,施工人員可以順利完成斜拉索的維修工作,施工掛籃過程中,不以被施斜拉索作為支點,保證斜拉索維修施工有足夠的操作空間。

(7)施工行走掛籃

每副掛籃內布置2名施工人員,橋面2名工作人員,塔頂2名觀察人員,掛籃利用定制高強聚氨酯輪沿著索體行走,為避免掛籃施工期間在索體表面的滾動損傷,掛籃將采用柔性材料制作走輪。由于施工期間高空風荷會過大,故掛籃側面護欄采用輕質方鋼進行制作,并鋪掛設安全網及警示牌,掛籃底部采用2mm花紋鋼板覆蓋,以避免高空墜物。

6 維修工具

使用的工具有細木銼、鉗子、螺絲刀,塑料焊接用熱風塑焊槍、電烙鐵、焊槍功率在300w以上,熱熔夾具、電子溫度調節器、溫度計(量程為300℃)、角磨機、樹脂磨片、美工刀、220V電源等。

7 維修材料

(1)斜拉索護套維修材料采用高密度聚乙烯加熱融化后需與原設計 PE護套相配套。聚乙烯材料化學性質需穩定,在斜拉索可預計的暴露溫度和使用壽命下不會有老化和軟化現象;材料與鋼絲的粘著力應使保護層與鋼絲不產生相對運動;同時要確保高密度聚乙烯保護層 100% 防水,有色高密度聚乙烯有抵抗紫外線降解能力。修補用材料同其主要性能滿足《斜拉橋熱擠聚乙烯高強度鋼絲拉索技術條件》(GB/T 18365)以及《無粘結鋼絞線斜拉索技術條件》(JT/T 771)的要求。

(2)PE 螺旋線焊條需與原設計螺旋線相配套。該材料需有抵御各種不良氣候的能力,至少應含有不少于 2%碳黑。

8 維修工藝

(1)根據施工月份天氣情況同時考慮到牽引鋼絲繩會下撓,掛籃高空行走過程中,斜拉索維修順序從最外側向內側進行施工,從而在一定程度上避免了斜拉索維修完成后因施工原因對已維護的斜拉索PE及PVF纏包膠帶表面觸碰磨擦造成損傷。表面 PE 輕微劃傷可直接進行打磨處理。

(2)深度損傷

對于斜拉索PE護套表面小面積局部的劃傷,用美工刀修整缺陷部位,并剖割成坡形,將相同的PE原料放在修補區上,覆蓋破損處,用鉗子或螺絲刀固定好,然后用熱風塑料焊槍連續焊好,再用角磨機進行表面打磨處理,使損壞處恢復原有的保護厚度,并使斜拉索表面基本恢復原有的平整狀態。施工過程注意塑料焊槍熱風溫度不要太高(180℃左右),以免修補處燒焦。

對于比較深、范圍較大的開裂露鋼絲,修復面積大于10cm2的損傷處,采用加熱套管進行護套修復[1],要求補丁方正規則、美觀,修復工藝相對復雜,修復人需要具備較高的技術水平。

9 結語

以中朝鴨綠江界河公路大橋為工程背景,建立了北方高寒地區大跨度橋梁斜拉索護套耐久性維護工藝體系,采用行走掛籃方式,結果表明該方法滿足施工規范要求,為斜拉索護套維修工作提供參考。