运营期长吊索单吊点局部无应力拆装换索技术研究

王继林,董凌峰,金旭辉,夏叶飞

(华设设计集团股份有限公司，南京 210014)

悬索桥吊索易损件的使用寿命相对较短，运营期间会出现耐久性降低、疲劳损伤和强度损伤等情况，应及时评估和更换。大跨径悬索桥吊索的长度较长、刚度较柔、安全要求高，难以采用中小拱桥所采用的部分扰动兜吊法实施切割旧索更换新索工艺[1]。悬索桥吊索更换一般采用临时拉索和工装卸载旧索进行更换的工艺方法。2010年江阴长江大桥悬索桥主桥采用2根临时索张拉将上下耳板中的短吊索销轴卸载并敲出的方式取出旧索后更换新短索[2-3]。2018年江阴长江大桥悬索桥开展长吊索的更换工作，采用五吊点同时起吊临时拉索实现长吊索的更换安装[4-5]。2015年汕头海湾大桥悬索桥利用桥面桁架、张拉吊杆及锚固装置实现旧索卸载和新索安装[6]。以上工艺无论是单吊点还是多吊点张拉卸载旧索，都是利用临时拉索完全释放整根更换索索力[7]，因此换索期间会产生较大位移量，一般要采用多根临近索平缓过渡，工程措施较复杂。如对于70 m吊索，若将800 kN索力卸载，吊杆全长缩短25 cm才能达到无应力状态，因此换索对桥梁主缆和钢箱梁结构扰动较大，亟须研究出对悬索桥结构扰动较小的拆换索工艺。

另外，悬索桥柔性较大、动力响应特征明显、对通行车流敏感[8]，随着来往车辆车速和车重的增加，桥梁跨中竖向位移和加速度时程曲线振动特征变化明显，动力响应也呈快速增长趋势。但由于悬索桥属于交通节点工程，交通流量大，难以对桥面进行交通封闭换索施工。在不封闭交通的情况下，吊索能否顺利更换主要取决于销轴是否可以顺利取出、施工监控指标选取是否合理以及换索过程中构件受力变化是否正常等，目前相关研究资料较少。

为减少换索时结构扰动，研究提出运营期长吊索单吊点局部无应力拆装换索技术[9]。即一期局部卸载吊索销轴段至无应力状态下拆除销轴，二期逐渐卸载整根吊索。同时对拆除旧索和安装新索过程中结构的受力转换进行过程分析。在不封闭交通情况下对运营中吊索和钢箱梁的时程响应进行分析，提出施工监控技术控制指标，指导换索有序进行。

1 桥梁概况

某悬索桥索塔高为209.9 m，主跨为1 490 m，该桥为单孔双铰钢箱梁悬索桥。主缆矢跨比为1/9.96，中心距为34.3 m。加劲梁为全焊扁平闭口流线型单箱单室钢箱梁。吊索为上下销接的平行钢丝束，吊索间距为16.1 m，每个吊点含2根吊索。每根吊索由镀锌高强钢丝组成。吊索的直径为58 mm，钢丝强度标准值为1 670 MPa，吊索采用109Φ5平行钢丝并外包PE(聚乙烯)护套，全桥吊索共360根。索夹采用铸钢，吊索上下锚端均为顺桥向销接式，跨中设置刚性中央扣连接。桥塔采用门式钢筋混凝土框架结构，钻孔灌注桩群桩基础,锚碇采用重力式锚体。设计荷载为汽车-超20级、挂车-120标准。桥面宽度为32.5 m，采用双向六车道。桥梁立面示意如图1所示。2017年悬索桥西幅发生交通事故并引发火灾，其15#和16#吊索平行钢丝外露受火损伤，须更换受损吊索。由于桥型结构复杂、桥梁动力特性明显，并且在不封闭交通的情况下吊索更换工艺更加复杂,受管理单位委托对该悬索桥换索工程进行课题专项研究。基于课题研究成果，于2019年完成该悬索桥受损吊索更换。

图1 桥梁立面示意(单位：cm)

2 拆装换索方案设计

2.1 多种换索方案综合评价

在充分调研江苏省江阴长江公路大桥悬索桥短吊索和长吊索更换技术后，为本项目提出4种换索技术方案并进行对比分析。4种技术方案的吊索换索构造如图2所示，4种换索技术方案对比如表1所示。

(a)方案一

表1 4种换索技术方案对比

方案一和方案二中的临时拉索张拉，主要是为了调整更换索初始索力。拆索通过直接顶推更换索实现，一期将销轴段卸载至无应力状态，将索销轴拆除，二期将整根索逐渐卸载至无应力状态，对相邻索索力改变不明显。静力分析显示，方案一中主缆最大发生-38 mm位移，方案二中主缆最大发生-21.5 mm位移。方案三和方案四通过张拉临时索，将更换索索力整根直接卸载至0，不直接张拉更换索，对相邻索索力改变明显。方案三属于单吊点张拉临时索换索，方案四属于多吊点张拉临时索换索，拆索时均直接将吊索全部卸载至无应力状态。静力分析显示，方案三中主缆最大发生-119 mm 位移，方案四中主缆最大发生-120 mm位移，对结构整体扰动明显。单吊点换索锚头局部应力集中明显，分析局部钢结构易塑性破坏。方案一较方案二有更强的索力调节功能，换索时吊索安全度更高。从减少结构扰动、提升施工便捷性以及储备吊索新技术角度分析，最终选择方案一进行深化研究和实践。

2.2 换索方案的工装深化设计

根据方案一对换索工艺工装进行深化设计。长吊索单吊点局部无应力拆装工装是利用钢箱梁吊耳上2个预留吊耳孔布置2根主拉杆，主拉杆连接横梁，横梁两端连接着骑跨在主缆上的临时吊索。2根横梁下侧布置2根反力梁，作为顶推旧吊索和安装新吊索的千斤顶的反力架。吊索拆装工装设计如图3所示，拆索阶段吊索受力示意如图4所示。

图3 吊索拆装工装设计

在不封闭交通的情况下,换索工艺流程主要为：安装2根临时吊索和索夹设备，先顶推临时吊索至设定索力值，然后安装要更换的16#2旧索顶推系统，用千斤顶顶推反力梁，待更换旧索顶推点以下的吊索卸载，此时耳板及吊索销轴处于无应力状态，一期拆除销轴，二期逐渐释放吊索顶推力，整根吊索卸载时完成旧索拆除。安装新索前安装新锁顶推系统，千斤顶先顶推新索，待新索销轴对中后安装销轴，并逐渐释放顶推力，完成新索安装。同样方法安装16#1新索，换索后释放2根临时吊索顶推力，拆除临时吊索、横梁及临时索夹，清理现场，完成16#吊索更换。吊索更换施工步骤及阶段划分如表2所示，换索过程示意如图5所示。

(a)吊索火损

表2 吊索更换施工步骤及阶段划分

3 不封闭交通对换索影响分析

3.1 有限元分析模型

全桥采用脊骨梁结构有限元模型，有限元模型如图6所示，吊索通过刚臂与脊骨梁连接。悬索桥的跨中中央扣采用耦合的方法，将中央扣和刚臂连接在一起。边界条件为两侧地锚和桥墩节点约束全部自由度。在桥的两端布置纵向阻尼器，有限元模型中采用Combin37单元模拟阻尼器的力-速度非线性行为。吊索初始索力采用现场实测值输入的方式。

图6 有限元模型

3.2 环境因素影响分析

大跨径悬索桥刚度较小,外界环境作用下动力响应特征显著。在不封闭交通的情况下进行换索,须在实际车流环境下对桥梁动力响应进行精确分析，研究实际车流等外部环境对施工的影响程度，提取施工监控指标，从而指导施工。

1)风和温度效应影响

为减小风和温度作用对换索节点工艺的影响，选择较小风速和较稳定的气温条件下进行施工。换索过程中桥面风速为0～2 m/s，风力等级在1～2级水准。主缆温度为32～33 ℃、桥面温度为40～41 ℃、箱梁内部的温度为39～41 ℃，施工中温度较为稳定。由于温度变化较为缓慢,对换索过程中拆除销轴和安装销轴的关键节点工程施工影响较小。

2)不封闭交通效应影响

根据实际车流环境下桥梁时程分析，步骤2阶段的16#吊索索力约为582.6 kN，索力振动波幅占索力均值0.2%，实测运营期索力波幅占索力均值不超过1%。这说明在不封闭交通情况下，吊索实时索力较为稳定，主缆与钢箱梁位移较一致,吊索长度变化较小。因此换索时销轴可以从耳板中拆除或安装，不会因随机交通作用导致销轴卡死的情况产生。步骤2阶段的16#吊索位置处钢箱梁位移振幅为-50～+20 cm,平均振幅为35 cm，钢箱梁具有较显著的动位移响应。实际车流作用下吊索索力理论时程曲线如图7所示，实际车流作用下吊索处钢箱梁位移时程曲线如图8所示。

图7 实际车流作用下吊索索力理论时程曲线

图8 实际车流作用下吊索处钢箱梁位移时程曲线

分析可知实际车流作用下悬索桥虽然主缆和钢箱梁动位移效应显著，但吊索与钢箱梁位移同步协调性好,吊索索力较为稳定,基本呈现通车状态下“动态稳定效应”。因此在不封闭桥面交通情况下，可实现索销轴拆除与安装,长吊索单吊点局部无应力销轴拆装施工关键方案可行，另吊索索力和索长可作为换索施工监控指标。

4 换索过程受力分析

4.1 索力分析

换索过程中更换索索力曲线如图9所示，毗邻吊索索力增量如图10所示。

图9 换索过程中更换索索力曲线

图10 毗邻吊索索力增量

由于运营期间索力较为稳定,可认为运营期索力不变,对换索过程中索力变化进行静力计算。新旧索顶推力与顶推点位置相关，根据本次顶推位置测算出16#2吊索在步骤3-1、步骤4-1时新旧索最大顶推力为839 kN，16#1吊索在步骤5-1、步骤6-1时最大顶推力为822 kN，最大顶推力接近临时索调整前吊索初始索力。临时索调整降低的吊索索力在拆索时刚好被恢复，使换索对结构扰动影响最小，临时索力调整目标达成。换索后新索索力基本可以恢复初始状态。步骤2阶段临时索张拉使毗邻索索力减少200 kN。

4.2 位移分析

由换索施工过程中静力分析可知，步骤4和步骤6新索安装处主缆发生最大位移为-38 mm，安装过程中换索处主缆向下发生0～38 mm位移,主缆位移影响范围较小。步骤6换吊索处钢箱梁最大位移为8 mm，安装过程中换索处钢箱梁发生-7～8 mm位移,钢箱梁位移影响范围较大。换索过程中吊索长度最大缩短了46 mm,远大于实际车流产生约0.1 mm吊索长度变化幅度。换索工况主缆静力位移如图11所示，换索工况钢箱梁静力位移如图12所示。

图11 换索工况主缆静力位移

图12 换索工况钢箱梁静力位移

分析可知，换索张拉引起的主缆和钢箱梁位移会被实际车流的35 cm振幅的位移湮没,施工中不能以桥面位移作为监控指标。在实际车流作用下，主缆和钢箱梁位移具有高度一致性,吊索长度变化较小,换索张拉引起吊索长度变化较大,因张拉导致吊索长度变化规律明显,可以采用吊索长度指标监控换索施工情况。

5 换索索力监控分析

基于课题研究结论进行长吊索更换，索更换施工历时47 d，顺利完成换索任务。换索过程中选择索力指标进行监测，现场采用锚索计和振动法联合监测索力，锚索计数据较为可靠。步骤4阶段16#2吊索索力实测时程曲线如图13所示，步骤6阶段16#1吊索索力实测时程曲线如图14所示(1根索有2个锚索计)。各阶段因实际车流引起的索力振幅与理论分析一致，索力振幅不明显,索力张拉信号特征清晰。通过监测可知，更换索实测初始索力最大为937 kN，步骤4阶段16#2新索实测索力为743 kN,步骤6阶段16#1新索实测索力为821 kN，实测索力最小为503 kN，施工过程中实际索力一直未超运营期数值。毗邻吊索实测初始索力为900 kN,换索期间索力最小为635 kN，因此永久吊索实测索力均远小于《公路悬索桥设计规范》(JTG/T D65-05—2015)中的允许值(1 624 kN)。临时吊索实测初始索力为560 kN,换索期间最大索力为731 kN，远小于允许值。吊索和临时索索力实测值接近理论值，理论值和实测值变化曲线较一致,实测值与理论值比值为0.89～1.28。更换索索力理论值与实测值曲线如图15所示，临时索和毗邻索索力理论值与实测值曲线如图16所示。

图13 步骤4阶段16#2吊索索力实测时程曲线

图14 步骤6阶段16#1吊索索力实测时程曲线

图15 更换索索力理论值与实测值曲线

图16 临时索和毗邻索索力理论值与实测值曲线

6 结论

通过全面分析和精细施工，在不封闭交通的情况下成功完成悬索桥单吊点局部无应力拆装换索工程。通过课题研究和现场实践，得到以下结论。

(1)根据4种换索技术方案评价，选择方案一(单吊点局部无应力拆装换索技术方案)作为长吊索换索方案。相比多吊点张拉换索技术方案，方案一换索时对结构的影响小并且造价低，对少量吊索和高塔处吊索进行更换时更有明显优势。

(2)结合单吊点局部无应力拆装换索技术思路，在方案一基础上设计了换索工装和工艺，并已将其成功应用于悬索桥换索项目。

(3)通过实际车流时程分析，16#吊索与钢箱梁同步位移协调性较好,吊索索力较稳定，在不封闭桥面交通情况下可实现索销轴拆除与安装,较容易实现长吊索单吊点局部无应力拆装施工。

(4)在不封闭桥面交通情况下，通过实际车流时程分析，发现吊索索力和索长适合作为换索施工监控指标，桥面位移等指标不适合作为监控指标。

(5)通过监控分析可知，更换的吊索和临时索索力实测值接近理论值，理论值和实测值变化曲线较一致,实测值与理论值比值为0.89～1.28，吊索实测索力均小于《公路悬索桥设计规范》(JTG/T D65-05—2015)中的允许值。