大跨度懸索橋吊索更換優化設計

胡小康，李邦映

(1.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司,安徽 合肥 230088;2.公路交通節能環保技術交通運輸行業研發中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

近年來，隨著交通事業的迅猛發展，我國修建了許多跨越大江、大河、海灣和峽谷的大跨度懸索橋。吊索是大跨度懸索橋結構中重要承重構件，也是對損傷最為敏感的構件之一。考慮到吊索材料性質、使用環境和施工等因素，空氣中氧化氣體以及雨水等進入索體，易造成鋼絲的銹蝕；車輛荷載、風荷載、溫度循環、雨振風振等動力作用使索體鋼絲承受循環荷載作用，最終導致其疲勞失效；另外，吊索使用過程中還可能發生意外損傷(車輛撞擊、火損等)。因此，吊索的使用壽命低于橋梁的使用壽命，在橋梁運營過程中需根據損傷情況適時進行更換[1]。

1 工程概況

大橋左汊主橋采用2×1 080 m三塔兩跨懸索橋，主纜分跨布置為：(360+2×1 080+360)m，采用兩跨連續體系，主梁與中塔柱及下橫梁采用塔梁固結體系。

吊索采用銷接式，吊索上端通過叉形耳板與索夾連接，下端通過叉形耳板與鋼箱梁上的錨板連接。吊索采用預制平行鋼絲束，鋼絲束外擠包8.0 mm厚雙護層PE進行防護。鋼絲采用φ5.0 mm鍍鋅高強鋼絲，鋼絲標準抗拉強度不小于1 670 MPa，單側吊點設置2根吊索。

經檢查，大橋短吊索出現下護筒脫開現象，全橋共計10根。病害表征為上下銷軸中心間距增大，表明吊索長度出現增長現象，同時下錨頭護筒密封圈與錨杯間出現縫隙。

通過吊索解剖試驗，病害的主要表現為[2]：

(1)平行鋼絲表面鋅鍍層普遍銹蝕，表面出現10 cm左右的坑蝕，鋼絲銹蝕等級為2度。

(2)從密封性能看，上下套筒與錨杯連接位置處防水性能較差，其中下套筒與錨杯螺紋連接處出現斷裂現象；上套筒與錨杯連接螺紋連接位置處銹蝕嚴重，且內部鋼絲在連接位置處出現坑蝕現象。

(3)從鋼絲斷口分析：內部鋼絲斷裂全都是由于銹蝕和疲勞應力共同作用，破壞過程為：鋼絲出現局部坑蝕-斷面減小、材質劣化-疲勞應力作用-破壞面增大、局部鋼絲斷裂。

(4)襯套整體潤滑劑面積大于22%，但受壓區潤滑劑損失較為嚴重。

圖1 吊索典型病害

2 病害原因分析

出現病害的10根吊索均位于跨中處，且為短吊索，具有明顯的部位特征[3]。

(1)跨中短吊索區域車輛行駛等作用引起的橋梁豎向振動較為明顯，振幅也比較大，吊索在疲勞荷載的作用下，存在應力反復變化的情況。同時，由于跨中吊索長度較短，其應力對豎向位移極為敏感，在豎向反復的振動作用下，短吊桿應力幅很高。因此，跨中短吊桿始終處在一個高應力幅的疲勞荷載作用下，吊桿鋼絲容易產生疲勞破壞，反復的振動加速了吊桿護筒、下錨杯、鋼絲等位置的磨損。

(2)現場勘驗時發現，病害吊索上下叉形耳板與鋼箱梁錨板間無轉動痕跡(正常索轉動痕跡明顯)，同時下套筒與錨杯處出現斷裂現象。可能是銷軸與襯套卡死致使耳板不能正常轉動，吊索在疲勞荷載作用下彎折進而使鋼護套脫開，造成錨杯內進水，鋼絲產生銹蝕。

綜上所述，病害原因經分析認為是在疲勞荷載作用下的短吊索在叉形耳板與銷軸不能轉動情況下，致使鋼護套脫開，防水性能失效，鋼絲在彎折和銹蝕作用下部分鋼絲斷裂。

3 吊索更換工況敏感性分析

為分析了解大橋的受力狀態，保證結構安全與交通通行，進行本次極端工況下吊索安全分析。

圖2 midas計算模型

3.1 工況選取

選取不同的吊索失效工況進行結構的敏感性分析，驗證吊索更換對結構的影響，選取的13個假定工況如下表所示：

表1 敏感性分析典型工況

3.2 主要計算結果

吊桿標準抗拉強度為1670 MPa，對于長期運營狀態，吊桿安全系數應不小于3.0，應力不高于567 MPa；換索狀態下，吊索安全系數不小于1.8，應力不高于928 MPa；對于短暫的臨時狀況，保證吊索的安全系數不小于1.5，應力不高于1 113 MPa，結構是安全的；對于理論的極限狀態，當吊桿應力達到標準強度1670 MPa時，吊索被拉斷。[3,4]

表2 各計算工況下主纜及主梁位移匯總表(單位：mm)

3.2 主要計算結論

(1)吊索失效后，導致與其相鄰的吊索受力大幅增大，不利情況下超出結構強度將斷掉，繼而引起連鎖反應，導致相鄰的其他吊索逐漸出現應力增加，超出結構允許值時將依次失效，結構安全風險大幅增加。

(2)單側3個相鄰吊點吊索同時失效時，吊索的安全系數將小于1.5，考慮吊索上下部連接位置處應力集中等各種不利因素，結構將更加危險。

表3 各計算工況下吊桿應力匯總表(單位：MPa)

4 吊索更換設計

4.1 吊索設計

(1)新吊索規格與原設計保持一致，均采用109根φ5.0 mm鍍鋅高強鋼絲。

(2)索長：原則上吊索的銷軸中心線之間的長度保持不變，以成橋索力控制。

銷軸中心線之間的長度取值參考《竣工圖》，目前由于舊索索力與成橋索力可能有所差別，致使現狀的主梁標高、主纜標高與成橋標高有所不同。因此，建議按照目前現狀吊索銷軸中心線之間的長度扣除彈性伸長量(吊索索力與成橋索力差值引起的)來作為吊索下料長度。

4.2 上下錨頭優化設計

根據病害調查及病害發生原因，對上下錨頭的構造進行優化設計，下錨頭主要優化內容見表4[5]，優化前后對比如圖3所示。

表4 下錨頭優化設計匯總表

圖3 下錨頭優化前后對比

上錨頭優化內容與下錨頭類似，不在贅述。

5 換索施工工藝

吊索更換的方式采用臨時索輔助卸載更換新吊索的總體方案。

圖4 短吊索更換示意圖

短吊索具體工藝流程如下：施工平臺準備→臨時吊索系統安裝→臨時吊索系統張拉→舊吊索拆除→新吊索安裝→臨時吊索系統卸載→換索工裝拆除等。

6 結束語

本文通過對懸索橋吊索病害的原因分析，并針對性的優化吊索上下錨頭構造，提高吊索錨頭的防水性能，在一定程度上延長了吊索的使用壽命。