胡小康，李邦映

(1.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司,安徽 合肥 230088;2.公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

近年来，随着交通事业的迅猛发展，我国修建了许多跨越大江、大河、海湾和峡谷的大跨度悬索桥。吊索是大跨度悬索桥结构中重要承重构件，也是对损伤最为敏感的构件之一。考虑到吊索材料性质、使用环境和施工等因素，空气中氧化气体以及雨水等进入索体，易造成钢丝的锈蚀；车辆荷载、风荷载、温度循环、雨振风振等动力作用使索体钢丝承受循环荷载作用，最终导致其疲劳失效；另外，吊索使用过程中还可能发生意外损伤(车辆撞击、火损等)。因此，吊索的使用寿命低于桥梁的使用寿命，在桥梁运营过程中需根据损伤情况适时进行更换[1]。

1 工程概况

大桥左汊主桥采用2×1 080 m三塔两跨悬索桥，主缆分跨布置为：(360+2×1 080+360)m，采用两跨连续体系，主梁与中塔柱及下横梁采用塔梁固结体系。

吊索采用销接式，吊索上端通过叉形耳板与索夹连接，下端通过叉形耳板与钢箱梁上的锚板连接。吊索采用预制平行钢丝束，钢丝束外挤包8.0 mm厚双护层PE进行防护。钢丝采用φ5.0 mm镀锌高强钢丝，钢丝标准抗拉强度不小于1 670 MPa，单侧吊点设置2根吊索。

经检查，大桥短吊索出现下护筒脱开现象，全桥共计10根。病害表征为上下销轴中心间距增大，表明吊索长度出现增长现象，同时下锚头护筒密封圈与锚杯间出现缝隙。

通过吊索解剖试验，病害的主要表现为[2]：

(1)平行钢丝表面锌镀层普遍锈蚀，表面出现10 cm左右的坑蚀，钢丝锈蚀等级为2度。

(2)从密封性能看，上下套筒与锚杯连接位置处防水性能较差，其中下套筒与锚杯螺纹连接处出现断裂现象；上套筒与锚杯连接螺纹连接位置处锈蚀严重，且内部钢丝在连接位置处出现坑蚀现象。

(3)从钢丝断口分析：内部钢丝断裂全都是由于锈蚀和疲劳应力共同作用，破坏过程为：钢丝出现局部坑蚀-断面减小、材质劣化-疲劳应力作用-破坏面增大、局部钢丝断裂。

(4)衬套整体润滑剂面积大于22%，但受压区润滑剂损失较为严重。

图1 吊索典型病害

2 病害原因分析

出现病害的10根吊索均位于跨中处，且为短吊索，具有明显的部位特征[3]。

(1)跨中短吊索区域车辆行驶等作用引起的桥梁竖向振动较为明显，振幅也比较大，吊索在疲劳荷载的作用下，存在应力反复变化的情况。同时，由于跨中吊索长度较短，其应力对竖向位移极为敏感，在竖向反复的振动作用下，短吊杆应力幅很高。因此，跨中短吊杆始终处在一个高应力幅的疲劳荷载作用下，吊杆钢丝容易产生疲劳破坏，反复的振动加速了吊杆护筒、下锚杯、钢丝等位置的磨损。

(2)现场勘验时发现，病害吊索上下叉形耳板与钢箱梁锚板间无转动痕迹(正常索转动痕迹明显)，同时下套筒与锚杯处出现断裂现象。可能是销轴与衬套卡死致使耳板不能正常转动，吊索在疲劳荷载作用下弯折进而使钢护套脱开，造成锚杯内进水，钢丝产生锈蚀。

综上所述，病害原因经分析认为是在疲劳荷载作用下的短吊索在叉形耳板与销轴不能转动情况下，致使钢护套脱开，防水性能失效，钢丝在弯折和锈蚀作用下部分钢丝断裂。

3 吊索更换工况敏感性分析

为分析了解大桥的受力状态，保证结构安全与交通通行，进行本次极端工况下吊索安全分析。

图2 midas计算模型

3.1 工况选取

选取不同的吊索失效工况进行结构的敏感性分析，验证吊索更换对结构的影响，选取的13个假定工况如下表所示：

表1 敏感性分析典型工况

3.2 主要计算结果

吊杆标准抗拉强度为1670 MPa，对于长期运营状态，吊杆安全系数应不小于3.0，应力不高于567 MPa；换索状态下，吊索安全系数不小于1.8，应力不高于928 MPa；对于短暂的临时状况，保证吊索的安全系数不小于1.5，应力不高于1 113 MPa，结构是安全的；对于理论的极限状态，当吊杆应力达到标准强度1670 MPa时，吊索被拉断。[3,4]

表2 各计算工况下主缆及主梁位移汇总表(单位：mm)

3.2 主要计算结论

(1)吊索失效后，导致与其相邻的吊索受力大幅增大，不利情况下超出结构强度将断掉，继而引起连锁反应，导致相邻的其他吊索逐渐出现应力增加，超出结构允许值时将依次失效，结构安全风险大幅增加。

(2)单侧3个相邻吊点吊索同时失效时，吊索的安全系数将小于1.5，考虑吊索上下部连接位置处应力集中等各种不利因素，结构将更加危险。

表3 各计算工况下吊杆应力汇总表(单位：MPa)

4 吊索更换设计

4.1 吊索设计

(1)新吊索规格与原设计保持一致，均采用109根φ5.0 mm镀锌高强钢丝。

(2)索长：原则上吊索的销轴中心线之间的长度保持不变，以成桥索力控制。

销轴中心线之间的长度取值参考《竣工图》，目前由于旧索索力与成桥索力可能有所差别，致使现状的主梁标高、主缆标高与成桥标高有所不同。因此，建议按照目前现状吊索销轴中心线之间的长度扣除弹性伸长量(吊索索力与成桥索力差值引起的)来作为吊索下料长度。

4.2 上下锚头优化设计

根据病害调查及病害发生原因，对上下锚头的构造进行优化设计，下锚头主要优化内容见表4[5]，优化前后对比如图3所示。

表4 下锚头优化设计汇总表

图3 下锚头优化前后对比

上锚头优化内容与下锚头类似，不在赘述。

5 换索施工工艺

吊索更换的方式采用临时索辅助卸载更换新吊索的总体方案。

图4 短吊索更换示意图

短吊索具体工艺流程如下：施工平台准备→临时吊索系统安装→临时吊索系统张拉→旧吊索拆除→新吊索安装→临时吊索系统卸载→换索工装拆除等。

6 结束语

本文通过对悬索桥吊索病害的原因分析，并针对性的优化吊索上下锚头构造，提高吊索锚头的防水性能，在一定程度上延长了吊索的使用寿命。