大跨悬索桥吊索更换技术及受力状态模拟分析

2019-04-16余章龙张大长张宇峰孙震

中外公路 2019年2期

余章龙，张大长，张宇峰，孙震

(1.南京工业大学土木工程学院，江苏南京 211816； 2.江苏省交通科学研究院)

1 引言

近年来，随着中国交通事业的迅猛发展，修建了许多大跨度、特大跨度桥梁跨越峡谷、海峡、陆岛和大江大河。悬索桥是跨越能力最大的桥型之一，吊索作为悬索桥的主要传力结构，在不同环境中对于损伤最为敏感，易造成钢丝的腐蚀；车辆荷载、风荷载、雨振风振等动力作用导致索体钢丝承受循环荷载作用而产生疲劳破坏。多座缆索系统桥梁因为各种原因而不得不提前换索，既影响了桥梁的使用又造成了巨大的经济损失。因此，吊索的寿命远小于桥梁结构的寿命。

2006年赵洋基于临时吊索法对某系杆拱桥吊索进行了更换，并提出不等步长张拉临时吊索的更换方案；2014年黄泽联基于临时兜吊法，采用有限元模拟分析吊索更换过程，得到系杆标高以及吊索索力的变化规律；2014年王超伟利用Midas有限元软件模拟分析吊索更换过程，重点分析吊索更换过程中临吊体系的安全稳定性；2015年王江鸿对汕头海湾大桥吊索进行了更换；美国福斯大桥由于吊索病害，也曾对全桥吊索进行了更换。

该文以某悬索桥为依托，基于该桥吊索出现的病害问题，进行长吊索更换技术研究。首先比对不同的吊索更换方法，提出适用于该桥吊索更换的方法；然后根据不同的吊索更换方案，基于有限元的模拟分析，选取适用于该桥吊索的更换方案。

2 工程实例

2.1 工程概况

以中国某大跨悬索桥为工程实例。该桥于1 999年建成通车，运营至今已有18年。桥梁总长3 071 m，其中主跨长1 385 m，桥塔高190 m，由钢筋混凝土空心结构与三道门式框架结构的横梁组成。锚碇为重力式锚碇。主梁采用流线形钢箱梁断面，钢箱梁宽度36.9 m，高度3 m，其中桥面宽29.5 m，采用双向六车道，两侧各设有宽1.8 m的检修通道。

为防止吊索钢丝出现病害，该桥吊索外部设有PE护套。但是由于吊索振动和恶劣环境的影响，PE护套有所破坏，导致吊索内部钢丝锈蚀、破损。从2001年开始就发现吊索出现了病害并进行不同程度的修补，但是经过16年的运营，该桥吊索又产生了病害。

经检测发现桥梁下游19#吊索轻中度锈蚀。该吊索长46.99 m，由109根直径5 mm的平行钢丝拉索组成。该桥吊索已服役18年，接近设计使用寿命，为累积吊索更换经验，决定更换下游19#吊索。

2.2 有限元模型建立

该桥桥塔采用C50混凝土，弹性模量为3.50×104MPa，密度为2 600 kg/m3，泊松比为0.2；钢箱梁采用16Mn材质，弹性模量为2.10×105MPa，密度为7 850 kg/m3，泊松比为0.3；主梁与吊索之间采用虚拟刚臂进行连接，虚拟刚臂长度为上、下游吊索间距，有效截面积为0.1 m2，弹性模量和截面抗弯惯性矩为钢箱梁的10倍，泊松比为0.1。虚拟刚臂只在主梁与吊索之间起到荷载传递的作用，对分析结果无影响。主缆及吊索相关参数如表1所示。

表1 主缆及吊索相关参数

利用有限元软件建立全桥模型，模拟分析吊索更换过程。为简化分析，将同一吊点的2根吊索简化成单根吊索，截面面积为原来吊索的2倍。桥梁主塔、钢箱梁采用三维空间线性梁单元B31进行模拟；主缆以及吊索采用三维桁架单元T3D2进行模拟。充分利用桥梁静载试验结果，尽可能真实模拟该桥的既有状态。恒载考虑主梁、主缆和吊索的自重；活荷载包括风荷载以及车道荷载，其中风荷载仅考虑主梁横桥向风力，根据当地大气养护手册，主梁横向风荷载设计风速为27.1 m/s，参考JTG D60-01-2004《公路桥梁抗风设计规范》，计算得到主梁横向风荷载为2.32 kN/m。有限元模型如图1所示。

该桥作为国家公路的“咽喉”工程，日均车流量较大，吊索更换过程中封闭交通不符合实际要求。因此，在吊索更换过程中设计了5种不同的限载工况。工况1：六车道公路-Ⅰ级加载；工况2：上游三车道采用汽车-超20级，下游三车道采用汽车-20级；工况3：上游三车道采用汽车-超20级，下游封闭最外侧车道，剩余车道采用汽车-20级；工况4：上游三车道采用汽车-超20级，下游封闭最外侧车道，剩余车道采用挂车-100级；工况5：上游三车道采用汽车-超20级，下游封闭最外侧车道，剩余车道采用挂车-80级。

图1 有限元计算模型

3 吊索更换方法研究

3.1 吊索更换方法比选

目前常用的吊索更换方法主要有临时支架法、临时兜吊法和临时吊索法。其共同原理就是采用临时替代系统，将待换吊索的索力转移到临时替代上，然后拆除旧吊索，安装新吊索，最后将临时替代上的索力转移到新吊索上。

(1) 临时支架法：在待换吊索下方横梁处设置钢支架，通过临时支架支撑横梁，在索力卸载后拆除旧吊索。该方法操作简单，对桥梁结构不产生过大影响，可以保证吊索更换过程中桥梁始终处于安全状态，适合单根吊索的更换。

(2) 临时兜吊法：将横梁用钢丝绳兜吊在桥梁拱肋上，然后对吊索钢丝进行分批割断，同时补张临时兜吊系统，来平衡割断钢丝的索力。循环往复，直至割断所有吊索钢丝。该方法操作简单，但是在割断钢丝的过程中，旧吊索索力减少量无法确定，因此该方法具有一定的风险。

(3) 临时吊索法：待换吊索旁安装临时吊装系统，通过分批张拉临时吊索，再分批割断旧吊索钢丝，最后安装新吊索。该方法不仅适用于单根吊索的更换，还可以进行全桥吊索的更换。

基于该桥吊索与耳板的连接方式为销接式，耳板留有备用销孔，因此可以采用临时吊索法更换吊索。在待换吊索旁安装临时吊装系统，临时吊索上部通过临时索夹与主缆连接，临时吊索下部通过销轴与耳板连接。

3.2 临时吊索法有限元模拟

该桥吊索更换采用临时吊索法，在下游19#吊索处安装临时吊装系统。通过张拉临时吊索，拆卸旧吊索。这个过程可以等效为在待换吊索两端施加一对相向荷载，如图2所示。

图2 单点更换方案有限元模拟

根据临时吊索数量的不同，该桥吊索更换可分为单点更换方案、三点更换方案以及五点更换方案。单点更换方案：即在19#吊索处张拉临时吊索；三点更换方案：即在18#、19#、20#吊索处同时张拉临时吊索；五点更换方案：即在17#、18#、19#、20#、21#吊索处同时张拉临时吊索。

4 吊索更换方案比较分析

4.1 单点更换方案

单点更换方案是在19#吊索处安装临时吊装系统，通过张拉临时吊索，拆卸旧吊索。有限元模拟如图2所示。

根据5种限载工况，计算得到各工况下临时吊索索力值如表2所示。

表2 各工况下临时吊索的索力值

由表2可知：工况4临时吊索索力最大，最大临时吊索索力为3 635 t。吊索更换过程中，理论上原吊索索力等于临时吊索张拉力，但实际上临时吊索张拉力远远大于原来旧吊索索力。这主要跟桥梁整体刚度和吊索更换方法有关，桥梁整体刚度越大，吊索更换过程中临时索力传递效率越低；同时，不同的吊索更换方法具有不同的荷载传递效率。

4.1.1 吊索索力变化

换索侧吊索索力变化规律如图3所示。在单点张拉临时吊索直至19#吊索索力为0的过程中,由于桥面纵向刚度的影响，临时吊索索力被分配到同侧相邻吊索上。其中，18#和20#吊索分配的临时吊索索力最大，距离临时吊索越远，各吊索分配到的临时索力越小，15#和23#区间外吊索索力基本无变化。非换索侧吊索索力变化规律如图4所示，在对下游进行吊索更换时，上游吊索索力基本无变化，说明在更换桥梁一侧吊索时，对异侧吊索索力影响较小，可忽略不计。

4.1.2 主缆与主梁竖向位移变化

主缆与主梁的位移变化规律如表3所示。在吊索更换时，临时吊索处主缆与主梁竖向位移变化较大，其中主缆下降67.32 mm，主梁抬升47.68 mm，19#吊索上、下锚点间距缩短了110 mm。在张拉临时吊索过程中，由于桥面刚度以及整体性的影响，临时吊索两侧18#和20#吊索处主梁与主缆位移变化较大，距离临时吊索越远，主缆与主梁位移变化越小。非换索侧主缆与主梁位移变化很小，说明在一侧更换吊索时，不会对异侧主缆与主梁产生明显影响。

图3 换索侧索力

图4 非换索侧索力

吊索编号换索侧/mm主梁位移主缆位移非换索侧/mm主梁位移主缆位移13#-2.83-2.44-2.05-1.3814#-2.21-1.95-1.45-0.5515#-0.61-1.21-0.020.9816#2.57-1.192.693.3017#8.18-3.676.816.1318#15.71-21.5510.828.1819#47.68-62.327.068.0220#14.76-19.2410.668.2521#7.69-1.276.556.0722#2.800.572.503.0623#0.200.2000.7024#-1.00-0.70-1.20-0.7025#-1.20-1.10-1.80-1.50

注：负值表示下降，正值表示抬升。

4.2 三点更换方案

三点更换方案是在18#、19#和20#吊索处张拉临时吊索。有限元模拟就是在18#、19#和20#吊索两端各施加一对相向荷载。各工况下临时吊索的索力值如表4所示。

表4 各工况下临时吊索的索力值

由表4可知：工况4临时吊索索力最大，最大临时吊索索力为2 220 kN。三点更换方案与单点更换方案相比，临时吊索索力减少1 415 kN，索力降幅达到原来单点更换方案临时吊索索力的38.9%。

4.2.1 吊索索力变化

由前述单点更换方案可以发现：在该桥一侧进行吊索更换时，对异侧吊索索力影响较小，可以忽略不计，因此这里只列出换索侧吊索索力，如图5所示。由于临时吊索数量的增加，更多的临时吊索索力被分配到同侧相邻吊索上，16#～21#区间内吊索索力有所变化，索力影响区域相比单点更换方案有所增加，并且距离临时吊索越远，吊索索力变化越小，16#到21#区间外吊索索力不受影响。

4.2.2 主缆与主梁竖向位移变化

由前述单点更换方案可以发现：在该桥一侧进行吊索更换时，对异侧主缆与主梁影响较小，可以忽略不计。因此，三点更换方案只列出换索侧主缆与主梁位移变化，如表5所示。19#临时吊索处主缆与主梁竖向位移变化最大，主缆下降62.67 mm，主梁抬升47.37 mm，上、下锚点间距缩短了110.04 mm，距离临时吊索越远，主缆与主梁位移变化越小。

图5 换索侧索力

吊索编号位移变化值/mm主梁主缆吊索编号位移变化值/mm主梁主缆13#-4.83-4.2820#41.37-49.0114#-3.32-3.4221#14.44-11.3515#0.12-2.7722#5.90-0.2416#6.62-4.0823#0.80-0.1017#16.78-17.0024#-1.60-1.3018#44.47-54.5625#-2.30-2.1019#47.37-62.67

注：负值表示下降，正值表示抬升。

4.3 五点更换方案

五点更换方案是在17#、18#、19#、20#和21#吊索处张拉临时吊索。有限元模拟方法是在5根吊索两端各施加一对相向荷载。各工况下临时吊索索力值如表6所示。

表6 各工况下临时吊索的索力值

由表6可知：工况4临时吊索索力最大，最大临时吊索索力为2 000 kN。五点更换方案与单点更换方案相比，最大临时吊索索力减少了1 635 kN，索力降幅达到单点更换方案临时吊索索力的44.98%。五点更换方案与三点更换方案相比，临时吊索索力减少220 kN，索力降幅并不明显。

4.3.1 吊索索力变化

更换前后吊索索力变化规律如图6所示。由于临时吊索数量的增加，索力影响区域明显增大，14#～24#区间内吊索索力受吊索更换影响较大，并且距离临时吊索越远，索力影响越小，14#～24#区间外吊索索力基本不受影响。

4.3.2 主缆与主梁竖向位移变化

主梁与主缆位移变化规律如表7所示。19#临时吊索处主缆与主梁位移变化最大，主缆下降59.12 mm，主梁抬升50.98 mm，上、下锚点间距缩短了110.1 mm，距离临时吊索越远，主缆与主梁位移变化越小。

图6 换索侧索力

吊索编号位移变化值/mm主梁主缆吊索编号位移变化值/mm主梁主缆13#-5.92-5.9320#45.67-54.0014#-2.54-5.3321#36.02-41.2715#4.19-6.5122#10.80-9.7816#15.17-18.3423#2.90-1.4017#43.45-53.0024#-1.40-1.9018#50.59-61.8825#-3.10-2.9019#50.58-59.12

注：负值表示下降，正值表示抬升。

5 吊索更换方案校核

单点、三点和五点更换方案最大临时吊索索力分别为3 635、2 220和2 000 kN。随着临时吊索数量的增加，临时吊索索力逐渐减小。三点更换方案与单点更换方案相比，临时吊索索力减小了38.9%，索力降幅明显。但是五点更换方案与三点更换方案相比，临时吊索索力仅减少了9.9%，索力降幅不明显。这说明，随着临时吊索数量的增加，各方案之间临时吊索索力降幅逐渐减小。

该桥吊索更换采用临时吊索法，吊索更换必须要满足一定的条件。首先要保证吊索上、下锚点间距缩短量必须大于吊索在对应工况下的最大伸长量，才能拆卸旧吊索。其次，由于临时吊索索力的增加，索夹与主缆之间容易产生滑移。因此有必要对上述更换方案进行校核。

5.1 上、下锚点间距缩短量校核

该桥19#吊索长度为47 m，截面面积为2 140 mm2，弹性模量为2×105MPa，单根吊索最大索力为950 kN，根据吊索材料以及截面特性可以计算出吊索最大拉伸量为104.3 mm。3种吊索更换方案上、下锚点间距缩短量均大于该值，所以3种更换方案均满足拆卸旧吊索的要求。

5.2 索夹下滑力校核

根据设计规范要求，索夹与主缆之间必须保证一定的抗滑移安全系数，以防止索夹下滑。该桥吊索索夹抗滑移安全系数取值为3，17#～21#区间内吊索索夹上有8颗高强螺栓，单颗螺栓的设计预紧力为500 kN，各吊索索夹与主缆之间的夹角角度见表8。不考虑临时索夹的抗滑移性能，仅在原永久索夹下，索夹抗滑移安全系数按照公式Kfc=Ffc/Nc≥3进行计算。其中，Nc=Nh·sinφ，Ffc=k·u·Ptot。式中：Kfc为索夹抗滑移安全系数；Nc为主缆上索夹的下滑力(N)；Nh为吊索拉力(N)；φ为索夹在主缆上的安装倾角；Ffc为索夹抗滑摩阻力(N)；k为紧固压力分布不均匀系数，取2.8；u为摩擦系数，取0.15。计算结果如表8所示。