江陰長江公路大橋長吊索更換技術研究

文/ 朱志偉 袁周致遠

引言

吊索是懸索橋結構中重要的傳力構件之一，在不同環境中對各種損傷最為敏感。因此，多座纜索橋梁因為各種原因不得不對受損吊索進行更換。2013年，加拿大的麥克唐納大橋采用自動架設分析模型模擬架設順序對橋梁性能的影響，完成了上部結構的新設計和更換；潢澤聯應用有限元建立吊桿模型,通過控制系桿位移使全橋新吊桿力接近均勻的理論索力；王超偉通過有限元模型分析吊索施工過程，詳細闡述了具體的吊索更換施工流程及施工工藝。

盡管國內外已有較多的吊索更換工程案例和相關研究，但基本都是短吊索的更換。江陰大橋長吊索更換屬國內外首次，涉及到的受力情況復雜，必須制定合適的長吊索更換方案。本文依托江陰長江公路大橋工程建設，開展長吊索更換技術研究，通過有限元模擬，對比分析了三吊點和五吊點兩種工況下的吊索索力、主纜主梁位移，提出了適用于該橋長吊索更換的方法。

工程概況

江陰長江公路大橋于1999年建成通車，主跨1385米。該橋上、下游主跨分別布置85個吊點，每個吊點連接兩根吊索，共安裝340根吊索。2017-2018年間，經檢測發現下游測（江陰-靖江方向）19N吊索（垂直長度約為47m）為輕中度銹蝕。目前該吊索接近設計使用壽命，為了保證吊索受力安全，對其開展更換工作，并為長吊索的更換提供技術儲備。

有限元分析

有限元模型及分析工況

采用Midas Civil建立整體桿系模型，主要分析兩種工況，如圖1所示。

工況Ⅰ：在下游18#、19#、20#吊索處安裝臨時索夾及臨時吊索，為三吊點方案；工況Ⅱ：在下游17#、18#、19#、20#、21#吊索處安裝臨時索夾及臨時吊索，為五吊點方案。

荷載和結構分析參數

計算采用最不利荷載組合：恒載（鋼箱梁、纜索等構件的自重）；活荷載（根據《公路橋涵設計通用規范》（JTGD60-2015），汽車荷載按三種情況加載：公路-1 級車道載荷、汽車-超20 級、掛-120，按6 車道計算，考慮橫向折減系數0.55，汽車縱向不進行折減）、溫度荷載（體系升溫30℃）；風荷載（根據設計資料主梁橫向風載設計風速為27.1m/s，參考《公路橋涵設計規范》，主梁橫向風載可取4.064kN/m）。主要構件材料分析參數見表1。

吊索索力和結構位移

張拉臨時吊索直至19#吊索索力至0的過程中，由于橋梁剛度的影響，臨時吊索索力被分配到同側相鄰的吊索上，對異側吊索索力影響較小，所以圖2只給出了換索側的吊索索力變化和臨時吊索最大索力；圖3為換索側的19#吊索附近主纜和主梁位移的變化。

吊索更換方案對比分析

吊索索力變化

根據圖2，18#和20#吊索分配的索力最大，距離臨時吊索越遠，各吊索分配到的臨時索力越小。工況Ⅰ的索力影響區域在15#和23#區間外吊索索力基本無變化。與工況Ⅰ相比，工況Ⅱ中吊索數量的增加使得索力影響區域明顯增大，14#-24#區間外吊索索力基本不受影響。工況Ⅱ的臨時吊索最大索力基本維持在205t以下，比工況Ⅰ的臨時吊索最大索力降低了近35t。

主纜和主梁位移

在該橋一側更換吊索時，對非換索側的主纜與主梁影響較小，基本可以忽略不計。由圖3可以發現，距離臨時吊索越遠，主纜和主梁位移變化越小；在19#臨時吊索處主纜和主梁豎向位移變化最大。對于工況Ⅰ，19#臨時吊索處主纜下降了80mm，主梁抬升了36mm，上、下錨點間距縮短了116mm；對于工況Ⅱ，19#臨時吊索處主纜下降了79mm，主梁抬升了31mm，上、下錨點間距縮短了110mm，比工況Ⅰ的錨點間距小6mm，總體位移量更小，更加安全。

結語

采用有限元對比分析2種吊索更換方案，發現在吊索更換過程中，隨著臨時吊索數量的增加，臨時吊索索力會逐漸減小；換索側附近的吊索索力受吊索更換影響較大，非換索側受影響較小；此外，五吊點方案的臨時吊索最大索力約為205t，比三吊點方案減少了約35t，所以從安全角度考慮，臨時吊索最大索力更小的五吊點方案更適合于該橋吊索更換。