超長期服役鋼斜拉索大橋換索施工監控的研究

高浩

（銅陵長江公路大橋管理處）

斜拉橋是一種橋面體系受壓，支承體系受拉的橋梁。橋面體系用加勁梁構成，支承體系由拉索組成[1]。21 世紀初，許多斜拉橋由于拉索腐蝕、錨具疲勞松脫等原因，相繼進行了斜拉橋的換索更換[2]。目前，斜拉橋換索施工控制理論仍不完善，仍存在一些缺點與不足，因此需要對斜拉橋換索控理論進行深入研究，并對其進行豐富和發展。甘林坤[3]依托涪陵長江大橋，從斜拉索安全系數、主梁應變和橋面豎向位移三個角度，并綜合考慮斜拉索更換施工工期等因素，對比分析了3 種不同的拉索更換順序，進而得出在不同施工階段最優的換索順序。史國剛等[4]首先以拆單根斜拉索時主梁彎曲應變能的變化為指標，對斜拉橋拉索整體更換順序進行了研究，并對不同施工工況下索力增量的變化規律進行了分析，并給出斜拉索更換的相關建議。楊起等[5]主要從拉索索力增量、主梁應變、橋面線型及主梁彎曲應變能等方面對個方案進行了比較，進而得到相對較優的拉索施工監控方案。上述研究主要是針對斜拉索的更換順序進行研究，并得到相對較優的換索順序或方案，但對于需要保留舊橋既有結構的斜拉橋拆索或換索，還需根據具體情況具體分析。郭河等[6]將全量模型與增量模型相結合的方法應用到珠海淇澳大橋換索工程中，對施工過程進行控制，同時運用了自適應理論進行了參數優化，使索力、主梁線形、結構恒載受力狀況以及主塔偏位的調整都達到了預期目標。

以某運營近30 年的斜拉索大橋換索工程為背景，論述目前斜拉橋換索施工控制各項技術指標分析內容，針對換索過程中結構高程、內力和索力的變化，對比分析理論計算與實測結果，對其過程中高程變化情況、索力變化限值、主梁應力變化情況等進行跟蹤監測，得到各參數監控結論，進而指導換索施工。

1 工程概況

該鋼斜拉索橋梁全長2592m（其中主橋1152m、主跨432m），橋跨布置為80+90+190+432+190+90+80m，橋梁結構為雙塔雙索面預應力混凝土斜拉橋。大橋斜拉索為扇形布置，每個索面有26對索，全橋共208根索，最長索約238m，最短索約53m。梁上的索距為8m，塔上13～26 號索之間索距約1.5m，3～13 號索之間索距約2.0m，1～3號索之間索距約為3.0m。

1.1 新索構造

新換斜拉索采用平行鋼絞線斜拉索，斜拉索型號為VSLSSI2000 型，鋼絞線根數37 根，單根鋼絞線直徑15.7mm，新換斜拉索岸側長度為140.44m，江側斜拉索長度為138.184m。新換斜拉索構造見圖1。

圖1 新換斜拉索塔端錨頭構造

1.2 換索工序

本次換索施工考慮單側中邊跨拉索同時進行，即先同時更換5JS13、5AS13 拉索，后同時更換5JX13、5AX13拉索。（以塔5#為例，A 代表江岸，J 代表江測，S 代表上游，X 代表下游，由短索至長索分別編號為1-26）。為減小換索引起的局部應力變化，將對被換拉索前后各4m范圍內的梁肋底面進行粘鋼加固。根據理論計算及確定的施工方案，主要施工工序為[9]：施工準備→清理梁肋表面→梁肋底部粘鋼→上游側梁肋底部開槽→拆卸上游側一對舊索→上游側槽口內壁處理→安裝上游側新索→調整索力→下游側梁肋底部開槽→拆卸下游側一對舊索→下游側槽口內壁處理→安裝下游側新索→調整索力。

2 施工監控內容

2.1 實施步驟

橋梁的換索工程通過主要控制主梁線性、斜拉索索力，兼顧主梁和索塔的應力不超過控制值，在斜拉索索力最大程度接近原橋梁結構索力時，施工控制各要素的監測精度達到相關技術要求的規定[10]。具體監控流程見圖2。

圖2 總體監控流程

①結合換索施工方案確定施工監控目標，以換索方案中的施工組織設計和主要施工工藝等依據，根據理論模型和技術規范確定應力、索力等參數指標，計算每一個步驟的參數數值，并通過構建程序模型進行全過程跟蹤；②以程序模型為基礎，按照參數指標的需要，測量換索過程中的各工況、各環境下的結構高程、索力、應力等數據；③通過對施工過程中采集的數據進行計算分析，不斷調整程序模型的參數，完善下一施工階段的施工工藝。根據對施工全過程的數值分析，逐步實現施工監控的既定目標。

2.2 控制要素

橋梁換索施工控制的任務就是對橋梁換索過程實施控制，確保在施工過程中橋梁結構的內力和變形始終處于容許的安全范圍內，主要控制要素包括[11]線形控制、索力控制、應力控制、溫度控制、穩定控制、安全控制。通過對橋梁換索的施工工序進行施工監控，對各個要素進行重點控制，確保施工過程中橋梁各結構應力、位移、溫度等指標始終處于技術規范的安全值內，實現換索完成的橋梁整體結構技術指標符合設計要求。

2.3 儀器設備

監測包括結構溫度監測、應力監測、變形監測等，是橋梁施工控制最基本的手段之一[12]。在控制過程中，除要從測量設備、方法上盡量設法減小測量誤差外，在進行控制分析時必須將其計入。本項目主要的施工監控方法包括對變形監測采用水準儀、全站儀，對應力監測采用應變傳感器，對索力監測采用頻譜分析法，對溫度監測采用水銀溫度計測量[13]。具體的施工監測內容如下：①變形：換索前后主梁線形；②應力：混凝土梁在換索過程及換索前后的變化；③溫度：塔、梁的溫度變化；④索力：換索前后及過程中被換拉索及附近拉索的索力變化；⑤裂縫：觀測換索施工前后及過程中主梁、索塔既有裂縫(如有)的變化或是否有新裂縫產生。

3 換索過程理論與實測對比分析

按照施工工序，先更換上游側5JS13、5AS13 兩根拉索，后更換下游側5JX13、5AX13 兩根拉索，利用模型計算理論值，同時分析放索階段監測結果（以上游側為例）。主梁測點布置見圖3。

圖3 測點縱向布置示意

3.1 高程結果分析

對于斜拉索更換項目監控，監控重點是換索前后主梁線形的變化量，因此線形測試獨立布點，在5#塔根處設置獨立高程基準點。根據主梁測點實測高程變化計算分級放索過程和放索前后的主梁變形結果，得到上游側換索面測點高程變化趨勢、換索完成后主梁高程與換索前主梁高程比較分析，如圖4、圖5 所示。（其中13-1示13#索面上游測點，13-2 示13#索面下游測點，其余類似）。

圖4 換索面測點高程變化趨勢

圖5 主梁測點換索前后高程差值

①在放索過程主梁實測高程的變化趨勢同理論值較為接近；②放張100%后，實測值均比理論值小；

③在測試過程中，風雨較大，視線不清，對測試工作造成很大影響，是誤差的主要來源；④上游側兩根索更換前后，大部分測點高程差值均在1cm 之內，上下游高差未見明顯變化；⑤其中測點11-1最大差值在11mm，從其它測點來看主梁高程未發生明顯變化，因此可判定高程誤差主要來源于正常測量誤差。

3.2 索力結果分析

以江側拉索舉例，在放索過程主要利用頻率法對索力進行測試。在更換13 號拉索同時，測試5#塔各拉索的實測索力，其中5JS12/5JS14 拉索的索力變化實測值與理論值比較趨勢、各拉索換索完成后索力實測值與換索前后索力比較如圖6、圖7 所示。（其中斜拉索的索力由塔端千斤頂油表測得。）

圖6 江側5JS12/5JS14拉索索力變化趨勢

圖7 江側拉索換索前后索力比較

①在放索過程附近拉索的實測索力變化趨勢同理論值較為接近；②在放索過程中，風雨較大，由于斜拉索索力采用頻譜法測試，外界環境對拉索測試影響較大，索力頻譜圖噪聲較多，較難識別索力基頻，導致部分實測索力與理論索力相差較大；③上游側兩根索更換前后，換索附近大部分拉索索力變化均在5%之內，能夠滿足相關規范及設計要求。

3.3 應力結果分析

上游側拉索放索過程中應力測試在結構外表面布設鋼弦應力計進行測試。其中1#、2#測點在放索過程變化量較大，做主要參考點，其中1#、2#測點在放索過程變化量較大，做主要參考點，應力實測值與理論值變化趨勢如圖8所示。

圖8 江側1#、2#測點應力變化趨勢

上游側換索前后主梁斷面應變實測值與放索初始值比較分析見表1。

表1 換索前后應力比較

①從總體變化趨勢分析，實測應力與理論應力變化較為一致；②從放索側梁肋上1#、2#測點來看，實測應力均較為接近理論值，其余測點由于應力變化量較小，實測值離散性較大。同時由于測點應力未進行溫度修正，對實測應力數據有一定影響；③岸側測點3#、6#、7#由于在測試過程中讀數較小，分析原因為傳感器在安裝完成后由于鋼弦松弛或基座不牢固導致應變讀數不穩定，同時結合其他測點應變讀數，可判定為非結構受力原因；④上游側兩根索更換前后，關鍵斷面應力變化較小，變化最值在1Mpa 左右，從總體上看換索對結構應力影響較小。

4 監控結論

通過該大橋斜拉索更換施工整個過程的施工監控，對實測數據與理論計算數據的對比分析，得出該橋換索的相關結論：

⑴由于鋼斜拉索橋梁自身結構的復雜性，超長期服役導致的鋼索銹蝕、索絲斷裂等原因，施工監控的理論模型由于計算結構的簡化和參數指標眾多，因而需要多重點指標進行施工監控，能夠反映施工全過程的實際受力情況，以正確把握施工控制的節奏。在該換索工程中，以線形、索力控制為主，以應力控制為輔。

⑵在上游側拉索放張過程中，高程、索力、應力變化趨勢同理論值較為接近，同時由于放索過程測試環境較差，部分高程測點及拉索測試值同理論值有一定誤差。上游側新索張拉后，大部分主梁高程測點差值均在1cm之內，索力變化在5%內，應力變化最值在1Mpa 左右，能夠滿足要求，表明在新索張拉后，結構恢復到了原始狀態。

⑶在上下游全過程換索中，未見主梁新裂縫產生。從全橋通測的數據來看，在換索前后，索力線形變化不大，從總體結果來看，換索對結構狀態影響較小。

5 結語

根據對安徽境內某超長期服役剛斜拉索橋換索過程中高程變化情況、索力變化限值、主梁應力變化情況等進行跟蹤監測，對比分析理論計算值與實測結果的差異，得到各換索過程中各參數監控結論，進而指導換索施工，以保證橋梁換索完成后的實際橋面線形、拉索索力、結構位移等參數滿足相關要求，為日后同類橋梁斜拉索更換施工提供參考和借鑒。