國(guó)內(nèi)外懸索橋主纜加固實(shí)例研究

嚴(yán)新江

近幾十年來(lái),隨著交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展,經(jīng)過(guò)我國(guó)橋梁建設(shè)者的不懈努力,已經(jīng)掌握了設(shè)計(jì)及修建各種橋型的能力。在懸索橋的設(shè)計(jì)、施工方面,我國(guó)雖然起步較晚,但發(fā)展很快,尤其是在20世紀(jì)80年代以后,我國(guó)的懸索橋建設(shè)更是突飛猛進(jìn),從世界上第一座鋼筋混凝土自錨式懸索橋——大連金灣橋到世界排名第四位的江陰長(zhǎng)江大橋,無(wú)不令世界矚目。但隨著我國(guó)交通事業(yè)的不斷發(fā)展,各種車輛的荷載等級(jí)也有很大的提高,以及在風(fēng)、雨、洪水、冰凍、溫度變化和濕度等自然因素侵蝕下,有些懸索橋已出現(xiàn)不同程度的損傷,比如主纜松弛、吊桿應(yīng)力過(guò)大的不均勻變化、主梁下?lián)系?甚至逐漸演變?yōu)槲?。?duì)這類橋梁亟需加以檢測(cè)維修,采取相應(yīng)的技術(shù)改造措施以保證懸索橋的正常安全運(yùn)營(yíng)。

本文首先介紹了國(guó)內(nèi)外此類懸索橋主纜檢測(cè)與加固的現(xiàn)狀,然后給出了世界各國(guó)對(duì)中小跨徑懸索橋主纜加固的實(shí)踐,最后建議今后的橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范在一定情況下允許對(duì)主纜進(jìn)行加固。

1 主纜檢測(cè)與加固現(xiàn)狀

一般認(rèn)為懸索橋的主纜在適當(dāng)?shù)姆栏に囅潞途S護(hù)下,在運(yùn)營(yíng)期內(nèi)可以滿足使用要求。然而一方面在惡劣的自然環(huán)境,往往導(dǎo)致橋梁運(yùn)營(yíng)數(shù)十年后,主纜的實(shí)際狀況很差,尤其是早期修建的懸索橋,由于在對(duì)主纜的保護(hù)上經(jīng)驗(yàn)不足,保護(hù)漆失效,索股中的潤(rùn)滑油大部分蒸發(fā),從而導(dǎo)致索股的腐蝕。另一方面,由于交通量或其他形式流量的日益提高,荷載等級(jí)提高后原有主纜安全系數(shù)將降低,安全系數(shù)不應(yīng)低于規(guī)范的限值。目前,懸索橋主纜的加固方法有更換主纜、新增主纜和新增斜拉索等方式。其中,主纜的更換存在的最大問(wèn)題是主纜是永久性錨固在錨碇里面的,不像斜拉橋的斜拉索在失效后可以很方便地進(jìn)行更換。在國(guó)內(nèi),懸索橋主纜更換或新增尚未見(jiàn)諸報(bào)道,而且《公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范》12.1.2[1]建議懸索橋主纜不宜更換或加強(qiáng),主纜或錨碇承載能力不足時(shí)可降低荷載等級(jí)使用。國(guó)外進(jìn)行主纜更換的有多米尼加共和國(guó)的Puente Duarte大橋[2]和法國(guó)的Aquitaine大橋[2]等,國(guó)內(nèi)有對(duì)中小跨鋼桁懸索橋新增斜拉索進(jìn)行加固的實(shí)例。

2 主纜加固實(shí)例

2.1 更換主纜

Puente Duarte大橋新的主纜錨固在舊地錨后的新地錨上。新索鞍安裝在跨過(guò)舊索鞍的附加結(jié)構(gòu)上,這樣在傳遞荷載時(shí)新舊主纜在垂直方向可相互通過(guò),通過(guò)可調(diào)長(zhǎng)度的臨時(shí)吊桿將舊主纜向上拉,新主纜向下拉,使主纜達(dá)到設(shè)計(jì)位置,新索鞍將跨過(guò)舊索鞍。這種方案使新舊主纜在荷載轉(zhuǎn)移時(shí)能在豎向移位,吊桿通過(guò)一個(gè)連接在現(xiàn)有索夾上的在豎向可以調(diào)節(jié)長(zhǎng)度的臨時(shí)桿件來(lái)傳遞荷載,以保證舊索能夠升高,同時(shí)千斤頂設(shè)備可以把新主纜拉下來(lái)。最初的設(shè)想是當(dāng)荷載傳到新索時(shí)在錨碇中頂起舊索端部鋼絲束,給新背索施力面釋放舊背索應(yīng)力。后來(lái)方案修改為向塔頂平移索鞍,通過(guò)相對(duì)新主纜把桁架位置上移來(lái)傳遞部分荷載,然后從索夾中分開(kāi)鋼絲束,允許它們從索鞍后面滑過(guò)以完成荷載傳遞,這樣不用減小錨碇中索的應(yīng)力(見(jiàn)圖1)。

在1998年,法國(guó)Aquitaine大橋的監(jiān)測(cè)顯示主纜出現(xiàn)嚴(yán)重的銹蝕,決定更換主纜。原主纜將由橫移橋面外2 m的新主纜所取代。橋面包括:20 m寬的車道、寬1.7 m的自行車道和兩邊設(shè)置的欄桿。通過(guò)固定在加勁梁上的加寬懸臂,將橋面接到吊索上(見(jiàn)圖2)。吊索本身通過(guò)索卡固定在索夾上,另一端通過(guò)錨頭固定在加勁梁上,為垂直設(shè)置。新主纜有回轉(zhuǎn)功能。它由61根股繩組成,即55股正常股纜(φ 60 mm)和6股角股纜(φ 42 mm),以形成具有回轉(zhuǎn)功能的形式。它們?cè)谠械牡劐^外通過(guò)。經(jīng)過(guò)散索鞍的偏移板托穿過(guò)錨固前梁,錨固在用先張預(yù)應(yīng)力混凝土制作的錨固后梁上。新主纜同原主纜有著同樣的標(biāo)高。主纜在偏移板托切點(diǎn)處的標(biāo)高及中跨的標(biāo)高同原有的標(biāo)高相同,只在塔頂處提高了44 cm。在橋塔頂部,新主纜同原主纜相比向外橫移2 m。偏移板托的偏移量為2.73 m。

2.2 新增主纜

新增主纜可以有兩種方式:1)在已有主纜的上方直接安裝一個(gè)新的懸索,水平分力由位于已有錨碇兩側(cè)新的鋼筋混凝土錨碇來(lái)承受。2)在平行已有主纜的邊上增加主纜。

國(guó)外進(jìn)行新增主纜來(lái)擴(kuò)建橋梁的例子有跨越里斯本市塔古斯河的懸索橋[3],最后的設(shè)計(jì)是在原有主纜上方的3.7 m處設(shè)一根350 mm的新的平行鋼絲索作為輔助主纜,在該主纜上設(shè)有由4股鋼纜組成的吊索,各吊索的間距為23 m,與原有吊索交錯(cuò)(即每根新吊索的位置設(shè)在每?jī)筛械跛鞯闹虚g),見(jiàn)圖3。

2.3 新增斜拉索

該加固技術(shù)源于懸索斜拉組合受力體系,新增的斜拉索兩頭分別錨固在塔頂和加勁梁上,斜拉索產(chǎn)生的水平分力由加勁梁來(lái)承擔(dān),需同時(shí)對(duì)加勁梁進(jìn)行加固。國(guó)內(nèi)提出對(duì)已有簡(jiǎn)易懸索橋采用新增斜拉索進(jìn)行改建設(shè)計(jì)的有福建建甌市的慈口懸索橋[4](見(jiàn)圖 4,圖 5)。

大連理工大學(xué)橋梁工程研究所在大連小平島圣島大橋改造工程中[5],提出了斜拉—懸索協(xié)作體系方案,即在原有懸索橋的基礎(chǔ)上增加斜拉索,以滿足活載等級(jí)增加的要求,其立面如圖6所示。新增斜拉索分三個(gè)索面,包括兩個(gè)邊索面和一個(gè)中索面。斜拉索在主跨內(nèi)分為五束環(huán)氧涂層填充型鋼絞線,每束為7φ 15.2(邊索面)或 5φ 15.2(中索面)型。主橋主梁下新增設(shè)三道鋼箱梁,鋼箱梁梁高1.2 m,其中兩道邊梁,一道中梁,在原橋吊桿處用環(huán)氧涂層填充型鋼絞線將混凝土梁和鋼梁上下連接在一起。新增鋼梁既可以增加主梁的承載能力,同時(shí)也抵抗新增斜拉索的水平力。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)國(guó)內(nèi)外懸索橋?qū)χ骼|檢測(cè)及加固方面的新技術(shù)進(jìn)行了介紹,并做了實(shí)例分析,為今后該類懸索橋主纜的加固提供了參考,為進(jìn)一步完善橋梁加固規(guī)范積累了資料。

[1] JTG/T J22-2008,公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] Pontd'Aquitaine:deremplacement[J].Travaux,2001,780(11):46-54.

[3] 嚴(yán)國(guó)敏.《1997里斯本結(jié)構(gòu)工程中的新技術(shù)國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議》論文集[C].2000:771-778,869-876.

[4] 周新年,鄭麗鳳,游明興,等.柔性吊橋設(shè)計(jì)理論及其應(yīng)用研究Ⅳ.簡(jiǎn)易柔性懸索橋總體設(shè)計(jì)方案研究——福建省建甌市慈口懸索橋例析[J].福建林學(xué)院院報(bào),2001,21(3):203-206.

[5] 王會(huì)利.自錨式斜拉—懸索協(xié)作體系橋結(jié)構(gòu)性能分析與試驗(yàn)研究[D].大連:大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文,2006:12.