非洲地區懸索橋全吊索更換施工關鍵技術研究

◎ 陳豪舉 李元博 李大龍 佘會忠 李昊然

1.中國路橋工程有限責任公司；2.中交二公局第二工程有限責任公司

1.項目簡介

莫桑比克SAVE河懸索橋位于南部非洲國家莫桑比克的中部地區，連接伊尼揚巴內省與索法拉省，由葡萄牙的埃德加·卡多佐教授在20世紀60年代設計，建造完成時間約為1972年，設計使用壽命為50年。

該橋為4塔5跨懸索橋，全長830m，跨徑組成為20m+210m×3+120m。橋面寬度11.6m，布置2條寬3.6m的車道和2條寬1.85m的人行道。全橋設計構思巧妙，布局簡潔美觀，體現了20世紀中葉歐洲橋梁建筑師的設計風格。

2.懸索橋舊吊索的主要病害及其次生病害描述

SAVE河懸索橋作為連通莫桑比克南北的唯一國道交通咽喉，自1972年通車至換索時已服務約49年，伴隨設計壽命的臨近，服務運營期間逐年增長的車輛重載以及缺乏專業養護團隊的維護保養，為該橋結構尤其是承重吊索系統積累了不少嚴重的質量病害。

根據吊索系統的結構特征，分析吊索的主要病害及次生病害如下：

2.1 吊索的主要病害描述

（1）上錨固區主要病害。吊索上錨固區的主要病害為鋼構件銹蝕、主纜纏絲松動、索夾滑移等。根據現場調查，大橋部分索夾出現明顯滑移，最大滑移量達40cm。主要原因包括兩點：一是大橋年久失修，日常巡檢養護不到位，導致緊固索夾的高強螺栓的緊固力減小；二是大橋主纜基本情況良好，但部分段落在修建時并未做好整形工作，導致主纜呈鼻形，導致部分索夾內部出現明顯空隙。

（2）下錨固區主要病害。吊索下錨固區的主要病害為吊索本身的銹蝕。特別是在吊索從橋面進入主梁混凝土的交界面處銹蝕情況尤為嚴重。該位置處易形成積水，且基本未進行防護，極易形成銹蝕。根據評估，全橋吊索基本均處于中等銹蝕狀態，少量輕微銹蝕，部分銹蝕極其嚴重。銹蝕嚴重的吊索，已銹斷2/3，隨時有斷裂風險。

（3）主要病害之吊索索力不均。本橋自2002年第一次發生吊索斷裂至今已累計更換了46根舊吊索（上游21根，下游25根）。由于彼時更換技術較為粗糙，僅憑借經驗張拉臨時吊索，未注重吊索力或橋面線形的同步調整，再加上主梁長期運營后可能產生的主梁橫向扭轉的影響，全橋吊索存在不同程度的索力不均與索長不定等問題。

為摸清舊吊索的索力分布差異，采用正弦式索力計測量斜拉索索力。

根據拉鎖自由振動方程：

式中EI為索股的抗彎剛度，w為拉索的橫向動位移，x為沿拉索方向的坐 標，T為拉索張力，m為索的單位長度質量。

模擬拉索兩端簡支，上式可簡化為：

式中n(n=1，2，3，……)為拉索自振頻率的階數，l為拉索的計算索長。如果忽略抗彎剛度的影響，上式可簡化為：

通過對本橋每道橫梁位置的上、下游側同位（南/北）的兩根舊吊索索力的測算對比，發現有近30%的同位吊索之間的索力差異在20%以上。

2.2 主要病害影響下的橋梁次生病害

受舊吊索索夾滑移和索力不均等主要病害的影響，懸索橋存在如下次生病害：橋面線形起伏、不勻順、呈波浪狀；主梁梁端擠壓破損，橋面板相鄰伸縮縫擠死或高程突變；縱橫梁間銅板支座脫空或偏位。

橋面線形的波動主要表現：一是在縱橋向跨中上拱而兩側主塔處下沉，高差超過60cm，導致主塔處主梁與橫向支座發生明顯豎向錯位。二是在索力不均及支座問題的綜合作用下，主梁橫橋向部分段落高差較大，最值超過13.9cm。

3.吊索更換施工方案

吊索的更換的最終結果是實現懸索橋全橋328根舊吊索在更換為新吊索后的橋面線形標高應符合設計目標值。通過對既有病害原理的分析，為達到此目標，需要進行索夾復位、消除上下游高差、減小主梁的橫向扭轉以及索力調整以減小同位吊索的不平衡受力。施工實踐中以每跨內的橋面縱向線形是否平順為輔助判斷依據。

根據全吊索更換的要求，懸索橋全橋328根舊吊索均需更換為新吊索。新吊索采用預制平行鋼絲束，鋼絲束外擠包4.5mm黑色HDPE進行防護，護套外徑54mm，最短索長約12.5m，最長索長約34m。每根新吊索均由61根鋼絲組成，鋼絲采用直徑5.0mm鍍鋅高強鋼絲，鋼絲標準抗拉強度不小于1860Mpa。新吊索由國內專業廠家加工生產后，海運進場[1]。

3.1 吊索更換的施工準備

吊索更換的施工準備包括施工平臺和索力轉換裝置的準備，并在總體上對全橋施工流程和每次吊索更換的工序進行確定。

（1）施工平臺的準備。

1）騎跨主纜的上施工平臺。主纜距離橋面的距離在9.7m～32.1m之間，為滿足施工人員到達主纜高度并在主纜上完成吊索上端的施工需求。設計加工了一個騎跨主纜的操作平臺進行索夾復位、臨時吊索的索夾安裝拆卸、新舊吊索與上錨頭索夾的分離和安裝等工序。同步為該平臺配備升降吊籠（配置安全保險繩）以便人員上下，。操作平臺在主纜上的行走移動通過手拉葫蘆倒鏈完成。

操作平臺橫向寬9.25m，縱向長12.7m，高1.5m，總重約6t。主纜操作平臺主要為四個帶滾筒的吊籠，滾筒騎跨在主纜上為著力點，橫縱橋向分別通過鋼制桁架安全通道連接，其中橫橋向剛性連接確保吊籠不會側翻，縱橋向鉸接以適應爬升過程中的角度變化。為保證平臺在主纜上移動的一致性和均勻性，采用四個手拉葫蘆進行攀爬及固定[2]。

表1 上下游同位吊索索力差異統計表

2)主梁梁底的下操作平臺。主梁梁底需進行臨時吊索在梁底的鋼構件的安裝拆卸，吊索與下錨頭區域部件的分離和安裝，以及索力標高調整等工序。根據現場調查，充分利用懸索橋既有的梁底檢修車，通過加固完善可作為換索過程中梁底區域相關施工的作業平臺。

（2）索力轉換裝置。臨時吊索系統是吊索更換過程中索力轉換的重要裝置。索力轉換即通過臨時吊索代替舊吊索承擔橋面板的荷載，使舊吊索原索力得到釋放。

臨時吊索系統包括臨時索夾、上端懸吊索、上端連接梁、精軋螺紋鋼、下端連接梁、千斤頂、兜底梁和調節系統組成。

3.2 吊索更換的過程控制

（1）臨時吊索系統安裝。對臨時吊索的安裝點位進行放樣，對同一個伸縮縫處的混凝土橫梁，均由上下兩套臨時吊索底部的兜底型鋼環抱形成索力轉換的支點。當混凝土橫梁被臨時吊索提起時，在橫梁上方相交的兩根相鄰的斜吊索將被釋放，其在橋面的交匯點垂直投影到正上方的主纜上，即是臨時索夾的安裝位置。

在主塔塔身中心線位置伸縮縫對應的混凝土橫梁正上方無臨時索夾可以錨固利用的主纜，經過現場調查，選擇直接利用塔身構建橫橋向的型鋼支撐作為吊索精軋螺紋鋼的錨點以替代臨時索夾和上端連接梁。

臨時索夾定位后，拆除主纜表面纏絲，檢查主纜圓度是否規則，可填充鋼絲并包裹橡膠，保證充足的接觸面積以防止臨時索夾直接安裝后出現受力滑移的問題。2根直徑43mm的鋼絲繩（上端懸吊索）“騎跨”臨時索夾槽口內，鋼絲繩兩端灌注冷鑄錨具，錨具與上端連接梁連接，利用螺母調節上端連接梁至水平。上端連接梁與下端連接梁通過兩根直徑32mm的精軋螺紋鋼連接，安裝時需注意連接器的安裝深度。一組精軋螺紋鋼之間需用繩子捆綁，可以有效消除偶然性的風振現象。下端連接梁又與混凝土橫梁下部的兜底梁通過精軋螺紋鋼連接，同時在下端連接梁上安裝兩個50t液壓千斤頂用以提升兜底梁[3]。

（2）臨時吊索系統提升。逐級張拉液壓千斤頂，提升混凝土橫梁至舊吊索索力釋放。精軋螺紋鋼與上下連接梁等多個部件連接以后存在機械空隙，需要千斤頂在低級壓力下持荷一定時間將機械空隙的拉伸抵消，而后開始正常提升。提升過程中需要時刻觀察下連接梁是否水平。

橋面的提升需要上下游左右幅同步，但由于主纜松弛度不一，千斤頂行程速率不一，在提升過程中橋面兩側會存在一定高差，需要測量及時糾偏縮小差值。

（3）舊吊索切割，索夾復位。待舊吊索索力完全釋放后（用手可以搖晃），采用切割機拆除縱橋向相鄰兩對臨時吊索系統中間的待換舊吊索，并用卷揚機緩慢下放至橋面。清理橋面板內部預埋的索導管，同時將卸力后的舊索夾拆卸清理并復位。

（4）新吊索下料長度控制。新吊索在出廠時下錨頭已經鑄造完成，而上錨頭的吊索的連接需在現場進行。灌鑄前，施工現場需要對新吊索下料長度進行確定。設計院已提供每根吊索的設計索力，已知吊索彈性模量和截面積，根據索夾復位后的空間坐標，索導管和橋面板接觸點坐標，上下錨頭長度，索導管長度以及主纜中心到索夾上絲口的長度，可得出吊索彈性部分在無應力狀態下的長度，公式如下：

再考慮錨頭內的索體灌鑄工藝長度后即可得出新吊索的現場下料長度。

（5）新吊索灌錨與安裝。先將半成品新吊索（下錨頭已灌注，上端開放）從梁底自下而上穿過橋面板內部預埋的索導管引至橋面；再根據計算結果對吊索進行切割下料，接著現場灌鑄上錨頭并做頂壓工藝。

主要工序包括①剝離PE 防護套—②清洗錨杯和鋼絲—③鋼絲穿過錨杯—④分絲板穿絲—⑤鐓頭器墩頭—⑥安裝密封定位夾具—⑦灌錨臺上錨杯預熱并灌鑄錨頭—⑧反頂壓實—⑨二次灌鑄反向密封—⑩熱縮保護套安裝。

將灌鑄完成后的新吊索通過卷揚機和提升夾提升至主纜復位后的索夾附近，與修復后的索夾相連接，最后采用鍍鋅碳鋼緊定螺釘固定錨杯。

4.結語

莫桑比克SAVE河懸索橋已為所在國的南北交通服務了近50年，積累了大量病害，其中以吊索病害最為突出，是全橋加固維修的重點。在對懸索橋328根舊吊索的更換過程中，項目團隊針對該橋三角式斜吊索體系，通過臨時吊索系統、主纜上施工平臺以及主梁操作平臺等工具裝置的運用解決了索力轉換和吊索更換的頂底端施工作業空間問題；通過對新吊索的長度進行現場精確測算與下料，嚴格控制上錨頭的現場灌鑄質量，以及由粗到細分階段多次地對新吊索索力及橋面標高的調整校正，最終使實際施工效果達到了設計預期。

此外本文還就中歐規范關于高強鋼絲檢測要求進行了對比，對索夾螺栓的預緊力控制以及吊索索力的測試優化進行了闡述，為后續超齡懸索橋吊索更換施工提供了一些可借鑒的經驗。