既有斜拉橋換索狀況綜述

成永強

1 斜拉橋的發展概況

斜拉橋是一種主要由索、塔、梁三種基本結構組成的復雜結構體系,以主梁受軸向力(密索體系)或受彎(稀索體系),拉索受拉和索塔受壓為主。

自從1938年德國工程師Dishinger首先提出現代斜拉橋設計構思理論以來,迄今全世界已修建斜拉橋300多座。雖然我國斜拉橋建造技術起步較晚,但自從1975年第一座斜拉橋在四川云陽建成以來,已修建斜拉橋100多座,其中跨徑超過200 m的有60多座。表1列出了世界上主跨跨徑大于500 m的18座斜拉橋。

2 換索斜拉橋

斜拉橋雖然在過去70年里得到了蓬勃的發展,但由于斜拉橋建造初期理論的不成熟,施工過程的復雜多變,營運階段養護部門的管養不力,導致既有斜拉橋在人為作用、環境因素以及結構材料內部因素等作用下,結構老化、承載能力下降,特別是斜拉橋拉索構件破損最嚴重。表2列出了國內外已換索的23座斜拉橋。

表1 大跨徑斜拉橋

表2 斜拉橋換索情況

從表2中既有斜拉橋換索情況來看,所有已換索斜拉橋拉索使用壽命均小于20年,遠遠小于現有斜拉橋的設計基準期,并且在23座已換索斜拉橋中有19座位于我國。之所以我國有這么多斜拉橋需進行換索來延續生命,主要是因為我國斜拉橋建造技術仍然落后,因設計、施工周期太短考慮不足,后期管養不力,特別是拉索索體材料以及拉索防護技術研究不足。

3 換索斜拉橋拉索病害

長期裸露于自然環境中的拉索構件,在人為作用、自然環境和材料自身因素作用下處于高應力工作狀態,極易導致拉索防護系統破損。在拉索防護系統破損后,拉索鋼絲部分將發生腐蝕破壞,由于拉索鋼絲處于高應力狀態,因而鋼絲對腐蝕影響非常敏感,在鋼絲發生腐蝕后拉索極限承載力退化加快,最終導致拉索不能繼續承載而必須將其更換。

通過對國內外既有斜拉橋拉索現存病害的分析可知:導致既有斜拉橋拉索破壞的主要原因有以下幾種:

1)腐蝕。斜拉索的腐蝕主要是由于拉索與周圍介質發生電化學作用,造成氧化還原反應所致。拉索鋼材中的合金元素、滲碳體及其他雜質往往構成陰極,鐵元素構成陽極,當拉索表面凝結和吸附水汽而形成水膜時,就構成了無數微電池,導致拉索腐蝕。另外,空氣中的氧氣、二氧化硫及二氧化碳等還會不斷地溶解到水膜中去,促進鐵元素的電離,加速拉索腐蝕。

對于PE套管內壓注水泥漿的拉索防護系統,由于混凝土化學組成的局部差異、不同的充氣條件以及鋼筋表面的不均勻性導致產生拉索腐蝕所需的電位差,使得電子通過鋼筋從陽極流向陰極,從而造成鋼絲腐蝕。

在內部干燥的情況下,水泥漿的離子電導率極低,即使碳化深度達到也難以發生鋼絲腐蝕,但在鋼套管、鋁套管、聚乙烯套管內壓注的水泥漿會產生泌水現象,常常使套管中水泥漿不能快速凝結為水泥石。由于未凝結水泥漿的電導率遠比干燥硬化的水泥石大,以及在未充滿水泥漿的空隙中有氧氣的存在,導致鋼絲的腐蝕。

另外,由于拉索錨具初始缺陷的存在,后期防護的不當,雜物和水分將進入錨具預埋鋼導管導致錨具銹蝕,嚴重影響了拉索的使用壽命。

2)疲勞。在交通荷載、風荷載和地震力作用下,拉索構件長期處于交變應力工作狀態,導致拉索發生疲勞損傷破壞,特別是在拉索錨具端口附近疲勞影響最大甚至導致拉索發生斷絲破壞。

3)施工質量損傷。1988年6月通車的廣東九江大橋在現場制索時,由于工藝粗糙、保護措施不力,導致索體先天性的損傷,進而加速了PE保護層的老化、破壞和鋼絲的銹蝕。

美國Luling橋,由于施工不當造成拉索切口、刻痕、套管搭接失敗和鋼絲對接失敗而不得不對72根拉索中的42根進行修整。

4)松弛引起的損傷。由于松弛,拉索無法保持初始長度和應力,使防護體系與索體鋼絲脫節,致使防護體系出現裂隙并發展成常規裂縫,從而使鹽和其他化學物質侵入,腐蝕鋼絲。

日本某座斜拉橋在竣工后不到五年,拉索的松弛伸長量就達到了11.8%,使拉索無法維持原有設計長度和應力,危及既有斜拉橋結構體系的安全性。

4 換索實踐經驗

1)委內瑞拉的馬拉開波(Maracaibo)橋。在換索作業時,為了保證梁、索、塔處于安全范圍內,采取逐根更換的方式,并采用相應的輔助索。2)英國的伍埃(Wye)橋。由于單股索的布置會使換索工程施工難度加大,且工期較長,故將原有拉索全部換成新的雙索體系。另外為了避免將橋面拉得太高使該橋處于超限應力狀態,需在張拉新索后立即拆卸舊索[5]。3)廣州海印橋。以先外索(長索),后內索(短索)為原則,并結合原有拉索的損害嚴重程度和臨時的搶修特例酌情調整換索順序,以取得安全、快速、方便的換索效果[5]。4)濟南黃河公路橋。該橋的換索原則是盡量不改變結構的受力狀況,適度調整索力和改善線形,以保持既有橋梁結構工作狀態連續、統一。5)廣東九江大橋。換索作業遵循下列四條原則:a.換索及調索過程中,以線型控制為主,索力控制為輔;b.換索期間對橋梁進行全面監控;c.換索期間限制交通量;d.換索后保證拉索安全系數均大于2。6)犍為斜拉橋。為了保證換索過程中不發生舊索斷裂事故,并且使換索后主梁、主塔應力在規范規定限值內,對該橋進行多工況仿真計算分析,最終決定換索順序為:單塔對稱,全橋反對稱同時進行。7)三達地怒江大橋。換索順序采用由長索到短索依次進行更換,兩岸上下游同時進行。換索施工中以索力控制為主,標高控制為輔。換索完成后,即對索力進行調整,以達到全橋索力優化的目的。

5 經驗總結

通過對已有的換索實踐經驗的總結分析,可發現這些換索實踐存在很多共同點,具體如下:1)在換索施工前期,對全橋進行病害檢測,適當加固補強,提高全橋安全度。2)在換索過程中,對橋面標高、索力進行精確監控。3)盡量不改變結構的受力現狀,適度調整索力和改善線形,以保持現有橋梁結構工作狀態連續、統一。4)大多數在保證車輛正常運行的情況下進行換索工作。5)均采用當時最先進的技術,結合橋梁實況進行新索研究設計。

雖然從已有的換索實踐經驗中能獲得很多值得學習推廣的結論和方法,但已有的換索實踐同時也暴露出很多嚴重的不足:

1)拉索承載能力評定經驗化。2)對換索期間既有斜拉橋結構體系安全可靠性分析較少。3)換索順序經驗化。4)換索索力確定經驗性。

可見,既有斜拉橋換索工程在確定換索順序和換索索力方面的理論研究仍然處于起步階段,大多憑借專家經驗,缺乏理論依據。因而使既有斜拉橋結構體系在換索過程中存在安全隱患,即使既有結構安全完成換索作業,也無法保證既有結構在換索結束后能處于穩定、均衡的受力狀態。鑒于此,本文建議將概率論、隨機過程以及結構體系可靠性分析理論引入既有斜拉橋結構可靠性評估中,對換索過程中的既有結構體系進行安全評定,對換索索力的確定提供指導,從而為既有斜拉橋結構體系換索工程提供必要的理論依據。

[1]王文濤.斜拉橋換索工程[M].北京:人民交通出版社,2006.

[2]王文濤,梁奎基.國外大跨徑斜拉橋使用狀況綜述[J].國外公路,1996(6):45-46.

[3]顧安邦,范立礎.橋梁工程(下冊)[M].北京:人民交通出版社,2005.

[4]唐 濤.斜拉橋結構體系使用安全性評估理論與方法研究[D].上海:同濟大學土木工程學院博士學位論文,2006.

[5]彭旭民,黨志杰.斜拉橋的損傷及預防措施[J].國外橋梁,1999(2):123-124.

[6]吳新元.斜拉橋鋼橋塔索塔錨固區受力分析[J].山西建筑,2009,35(11):328-329.

[7]易勝濤.斜拉橋拉索防護的現狀[J].重慶交通學院學報,2000(2):58-59.