密索體系地錨式斜拉橋組合式換索順序研究

孫仕， 張謝東， 呂利芹， 秦川

(1.武漢理工大學 交通學院， 湖北 武漢 430063； 2.湖北交通規劃設計院 十堰分院)

隨著新材料的發展與建造工藝的不斷革新，國內斜拉橋建設飛速發展。作為斜拉橋的主要承力構件，拉索連接著主梁與主塔，起著重要的傳力作用。由于與主梁呈不同角度傾斜，拉索不僅會提供豎向的拉力，還提供了強大的軸向壓力，這對于主梁抵抗彎矩是有利的。然而，布置在梁體外部且長期處于高應力狀態下的拉索，直接受到環境荷載(溫度、濕度等)影響，很容易受到不同程度的侵蝕而損壞甚至斷裂。盡管合理的防護可以延長拉索的使用壽命，但實際效果卻往往不盡如人意。對于運營多年的老橋，換索成為解決拉索銹蝕問題的唯一方法。換索包括卸除舊索和安裝新索兩個步驟，如果任意一根拉索的索力發生變化，則其他拉索的索力會重新分布直至一個新的平衡狀態，從而導致整個結構的內力線形都會發生相應的改變，尤其是對于剛度較小的主梁變化更為明顯。一般而言，拉索的設計安全系數較大，卸索引起的索力增大不足以達到拉索的承載極限，但對于整體銹蝕嚴重的拉索，索力的突然增大可能會引起自身斷裂甚至產生連鎖效應導致橋梁垮塌。合理的換索順序可以規避這一風險。目前國內外已有多座斜拉橋實施了換索，該文結合一地錨式斜拉橋換索實例，通過建立該橋有限元桿系模型，從換索順序及數目的選擇討論不同換索工況下索力重分布與結構線形變化，并針對地錨式斜拉橋這一特殊橋型提出一種不同工序組合式換索方案。

1 換索順序與數目選擇

對于換索方案的確定，主要考慮兩點：

(1) 整體換索順序的確定。按照秦順全提出的無應力狀態控制法，結構單元的無應力狀態與結構體系及外荷載無關，拉索無應力索長只能由張拉改變。在保證體系安全的前提下，更換的拉索只要張拉到設計成橋狀態的無應力索長，在全橋換索完成后即為目標成橋狀態而不用二次調索。因此在理論上拉索的更換順序是任意的。為便于施工組織，換索工程一般按順序進行，對于銹蝕嚴重的拉索采取優先更換。史國剛等以彎曲應變能最小為橋梁狀態指標，提出相比較短索，卸除長索后彎曲應變能的改變較大，故先卸除短索可以使橋梁擁有更大的安全儲備。但兩種換索順序在實際施工中都有使用。

(2) 單次換索數目的選擇。由于斜拉索直接錨固在主塔上，每根拉索都會在主塔錨固端對主塔產生很大的水平分力，而一般斜拉橋索面往往是對稱布置的，這樣可以抵消巨大的水平力。如果一次只卸除1根索，則會打破這一平衡并且使主塔受到局部水平力與巨大的塔底彎矩。故從主塔結構安全考慮，一般都采取單塔對稱更換一對索的方式。若為雙塔或多塔斜拉橋，還可以結合具體工程考慮多塔同時換索方案。

2 工程背景

2.1 工程概況

湖北鄖縣漢江大橋為中國國內首座預應力混凝土地錨式斜拉橋，1994年建成通車，跨度布置為(86+414+86)m，雙塔雙索面，為209國道重點橋梁工程。經過多年服役，全橋拉索銹蝕受損嚴重，為保證橋梁運營安全，目前正對全橋200根拉索進行更換。部分橋梁工程參數如表1所示。

表1 部分橋梁參數

注：資料來源于《鄖陽漢江公路大橋修改施工圖》。

2.2 全橋拉索布置

全橋對稱布置拉索200根，其中南主北塔邊跨各有42根邊跨索錨固在地錨上。

該文按如下方式對全橋總計200根索進行編號：參照圖1，第一個字母區分主塔，十堰南塔記為S，鄖縣北塔記為Y；第二個字母區分中邊跨，中跨索記為M，邊跨索記為S；數字為序號，沿主塔向兩側由1遞增至25；最后小寫字母表示上下游，分別記為a、b。如鄖縣中跨上游第20號索記為YM20a。

為便于分析，對于同索面的拉索，索號簡記為中邊跨+序號。

圖1 全橋拉索布置

3 多工況索力重分布與結構線形分析

參照結構設計參數，通過有限元軟件Midas/Civil建立全橋桿系模型，不斷調整索力以達到目標成橋狀態，所建有限元模型如圖2所示?？紤]全橋拉索數目較多，下面以卸除南塔上游側拉索為例，討論5種換索工況下該索面索力重分布與結構線形變化，在卸除單側拉索時，由于拉索數目較多且分布較密，索力重分布后在各截面產生的附加扭矩較小，而梁截面本身具有較大的抗扭剛度，故后續分析對于橫橋向線形不作討論，主要分析縱橋向線形變化，并由此提出一種合理的換索方案。

圖2 全橋有限元模型

3.1 工況1：單塔卸除1根索

盡管在實際施工中，為了主塔受力平衡，一般采取單塔對稱更換的方法，但對于受損嚴重的索應考慮單獨更換，故將卸除1根索的工況也考慮在內。對于地錨式斜拉橋這一特殊結構，其部分邊跨索一端錨固在地錨上，而中跨索則直接錨固于主梁，故卸除邊跨索與中跨索對鄰索的索力分布影響也不同。圖3(a)、(b)為分別卸除最長邊跨索(S25)與最長中跨索(M25)對鄰索的索力增量對比。卸除邊跨25號索時，鄰索索力最大增加164.49 kN(S24)，相比原索力增大4.41%。中跨長索有不同程度索力下降，最大減小47.03 kN(M25)，相比原索力下降1.47%。卸除中跨25號索時，鄰索索力最大增加266.54 kN(M24)，相比原索力增大8.93%，而邊跨拉索索力均呈下降趨勢，最大減小93.43 kN，相比原索力下降2.50%。可以看出：卸除中跨長索時其他拉索索力波動較大。分析原因可能是因為中跨索錨固在主梁上，在卸索后直接對主梁和主塔產生影響，柔度較大的主梁發生輕微撓動便會使拉索索力產生較大波動；而邊跨索一端錨在地錨上，卸索后直接影響的結構只有主塔，而主塔剛度較大，故對主梁的間接作用相對較小。

圖3 單塔卸除1根索索力增量變化及主塔偏位情況

由于水平力的不平衡，卸除1根拉索對主塔偏位會產生影響，故也對兩種情況下的主塔偏位進行對比，如圖3(c)所示。可以看出在卸除邊跨長索時塔頂向中跨方向偏移18.8 mm，而在卸除中跨長索時塔頂向邊跨方向偏移11.5 mm，這也可用前述分析解釋：卸邊跨索時主塔為主要受力結構，而卸中跨索時不平衡力由主梁與主塔共同承擔，故前者主塔偏位較大。從整體來看，卸1根索不會對主塔產生明顯影響，可以認為主塔是安全的，以下工況均采用單塔對稱更換，不再對塔偏進行討論。實際施工對于單索更換，建議優先更換邊跨索。

3.2 工況2：單塔卸除同索面兩根索

該工況為對稱卸除單塔同索面一對長索(S25、M25)，對于索力較大的長索，為了保證施工安全，會考慮兩塔輪流更換，圖4為卸除南塔上游側一對長索對鄰索索力增量影響。

圖4 卸除同索面25號2根索索力增量變化

不同于工況1，當同時卸除兩根長索時，其余拉索索力均增大，但增幅相對較小。邊跨鄰索S24索力增加70.08 kN，相比原索力增大1.88%，中跨鄰索M24索力增加226.06 kN，相比原索力增大7.58%。故對稱卸索比單獨卸1根索引起的索力增量更小。

3.3 工況3：雙塔對稱卸除4根索

為加快換索施工進度，在保證施工安全的前提下，可以考慮雙塔同時更換。該工況為雙塔對稱卸除同索面同序號4根索(SS25a、SM25a、YM25a、YS25a)，相比工況2，同時卸除4根索顯然會引起更大的索力波動，邊跨鄰索S24索力增加145.58 kN，相比原索力增大3.90%，中跨鄰索M24索力增加434.51 kN，相比原索力增大14.56%。遠端拉索索力增量值隨距離增大而遞減，短索受影響較小(圖5)。

圖5 雙塔對稱卸除同索面25號4根索索力增量變化

3.4 工況4：雙塔反對稱卸除4根索

該工況為雙塔反對稱卸除不同索面同序號4根索(SS25a、SM25a、YM25b、YS25b)，由圖6(a)可知：索力增量分布整體趨勢同工況3，但數值有所不同：邊跨鄰索S24索力增加147.38 kN，相比原索力增大3.95%，中跨鄰索M24索力增加325.61 kN，相比原索力增大10.91%?？梢婋p塔換索正對稱與反對稱兩種方式對邊跨索索力影響不大，原因可能在于地錨的存在約束了邊跨索的變形；而對比中跨索的索力增量，反對稱更具優勢。文獻[5]對這一現象的解釋是卸索對同索面拉索的索力增量影響較大，故反對稱更換不同索面拉索會產生較小的索力增量。對于雙塔更換4根索建議采用反對稱卸除。

圖6 雙塔反對稱卸除4根索

從卸25號4根索對比中發現，即使采用反對稱法中跨鄰索的索力增量依然很大，考慮長索自身索力較大，且主梁較大的豎向位移會對跨中無軸力鉸結構造成破壞，一次更換4根長索是存在安全風險的。故對反對稱卸除25、20、15號4根索引起的索力增量與主梁線形變化進行對比，由圖6(b)可知：卸20號索時的最大索力增量143.03 kN已遠小于卸25號索時的325.61 kN，其余長索的索力增量也均在100 kN左右；卸15號索時最大索力增量為150.64 kN，而中跨長索索力增量顯著減小。對比圖6(c)，隨著序號的減小，主梁線形越趨平緩，且到卸15號索時主梁跨中豎向位移較小。綜合分析對于序號小于15的索采用反對稱法換4根是可行的。

3.5 工況5：雙塔卸除8根索

工況5為雙塔同時卸除同序號8根索，對于一次更換8根索，實際工程應用中較為罕見。主要原因在于一次卸除過多拉索會對全橋索力及主梁線形產生較大影響?？紤]到此例全橋拉索數目較多，且拉索安全系數較大，故對卸8根索方案進行討論。下面對卸25、20、15、10、5號索時的索力增量和主梁線形變化作對比分析：由圖7(a)，卸序號小于15的索時，中跨長索的索力增量數值很小且趨于平穩，鄰索的最大索力增量均不超過300 kN，對于自身索力較小且安全系數較大的短索是安全的；由圖7(b)，卸8根長索對主梁線形影響非常大，隨著序號減小，線形波動趨于平緩，卸10號索時，主梁跨中豎向位移很小，可以認為主梁是安全的。綜合分析在更換序號小于10的索時可以考慮一次換8根。

圖7 卸不同序號8根索

3.6 組合式換索方案與監測措施

綜合以上討論，提出一種針對該橋的換索參考方案；并結合各換索工況計算結果，給出相應的監測建議：

考慮到該橋是一座服役超過20年的老橋，且目前運營狀態良好，換索施工應盡可能還原橋梁的初始受力狀態。在換索施工前應對全橋索力與線形進行通測，記錄橋梁換索前初始狀態。整體更換順序從長索換至短索，不選擇從短索換至長索是為了保證在多索更換時長索與跨中主梁具有足夠的安全性；對于銹蝕嚴重的索采用“優先更換”原則，先邊跨后中跨，期間對鄰近至少8根索的索力進行定時監測，并在拉索下錨端對應位置布置測點觀測撓度變化；對于25～16號索，采用“雙塔先后反對稱、單塔對稱”方式，一次更換同索面同序號兩根索，期間對鄰近6～8根索的索力與對應位置的撓度進行監測；對于15～11號索，采用“雙塔反對稱、單塔對稱”方式，一次更換不同索面同序號4根索，期間對鄰近10～14根索的索力與對應位置的撓度進行監測；對于10～1號索，采用“雙塔對稱、單塔對稱”方式，一次更換同序號全部8根索，期間對鄰近8～12根索的索力與對應位置的撓度進行監測。由于中跨跨中無軸力鉸的受力對主梁線形變化較為敏感，應在該部位額外添加撓度測點，在全橋換索施工中密切觀測其撓度變化，保證無軸力鉸的受力安全。換索完成后對全橋索力與線形再一次進行通測，對比初始狀態，對部分索力偏差較大的拉索進行微調。

4 結論

通過5種換索工況下索力增量與結構線形對比，得到以下結論：

(1) 對于地錨式斜拉橋，由于地錨這一特殊結構存在，換索時邊跨的索力增量與主梁線形分布較中跨表現出更大的安全性。

(2) 一般而言，卸除1根索會對臨近8～10根索及其錨端主梁線形產生較大影響。相比短索，自身索力更大的長索在卸除后會引起鄰索較大的索力變化，在實際換索施工時應格外注重長索索力及主梁跨中內力線形的監控。

(3) 對于8索更換方式，由于卸索數目多而工程應用少，對不同橋例應作特定方案，建議在更換短索時考慮。多種換索順序組合，可以在保證安全的前提下使換索施工更為高效。該文提出的針對該地錨式斜拉橋的組合式換索方案，配合組織嚴密的施工監測，可以實現高效有序的換索。對于類似的其他斜拉橋尤其是密索體系橋換索，該方式利于施工效率的提高及施工組織。