懸索橋錨索拉桿更換設計研究

張建平，胡林洲

（貴州宏信創達工程檢測咨詢有限公司，貴州 貴陽 550014）

0 引言

懸索橋是靠兩岸索塔上錨固的纜索受拉體系為主要承重構件的橋梁。其通過吊桿傳遞荷載至主纜系統，主纜承受荷載后再傳遞到兩岸錨碇結構，其力的傳遞路線明晰。

主纜錨固體系屬于懸索橋中極其重要的一部分，對于施工時的精度有非常高的要求，并且還要承受極大的主纜系統傳遞來的拉力。同時，在施工過程中，錨固系統的施工也是非常重要的工序之一。錨固系統通常分成預應力錨固系統和錨桿式型鋼錨固系統[1]。錨桿式型鋼錨固系統由錨桿和后背梁兩個主要構件組成，主纜系統索股與錨桿連接，最后在混凝土錨固塊中澆筑了整個型鋼框架。預應力錨固體系則由索股連接件系統和預應力系統兩個主要部件構成，經由連接件系統使得預應力筋和主纜索股相互連接在一起。此前預應力錨固系統和錨桿式型鋼錨固系統都成功地應用在了國內的懸索橋中。

至今為止，國內還未出現對于預應力錨固體系的規范或者標準要求，因此懸索橋錨固系統設計時樣式較多，并且暴露出了其中存在的某些亟須解決的問題[2]。本文分析了預應力錨固系統中索股連接件系統設計、施工中存在的問題，針對其拉桿斷裂綜述了拉桿更換維修處置方案，提出了拉桿斷裂更換設計中的施工及監測要求、防腐措施及材料性能要求等，供工程應用參考，指導借鑒作用顯著。

1 工程概況

某主橋跨徑為636 m 的鋼桁梁單跨懸索橋，主纜跨徑組成為192 m+636 m+192 m，橋梁全長964 m。兩主纜之間的中心間距為28.0 m，采取預制的平行鋼絲束股，矢跨比為1/10.5。每一根主纜由91 根索股組成，每一股索股的高強鍍鋅鋼絲規格數量為φ5.1-91，其抗拉強度標準值為1 770 MPa。主纜錨固系統則由索股連接件系統和預應力鋼絞線兩個主要部件構成，主纜索股通過散索鞍，然后再通過錨固連接件將荷載傳遞到處于混凝土錨體中的預應力鋼絞線上。

橋梁結構總體布置如圖1 所示。主纜錨固系統布置如圖2 所示。

圖1 橋梁結構總體布置圖（單位：cm）

圖2 主纜錨固系統布置圖

運營階段通過對懸索橋定期檢查發現，東錨左側錨室內60#連接拉桿斷裂1 處，且相鄰拉桿彎曲變形，可能是由于：（1）施工安裝時拉桿位置安裝定位誤差比較大，使得拉桿產生不均勻受力；（2）拉桿制造時工藝控制不穩定，拉桿材料的力學指標未達到設計要求。現場拉桿斷裂病害缺陷圖如圖3 所示。

圖3 現場拉桿斷裂病害及缺陷圖

針對拉桿斷裂維修處治方案如下：首先核實前錨面處預應力錨固連接器的錨點位置與設計位置是否相符。若錨點位置正確，則對東錨左側錨室內60#已經斷裂的拉桿及已經發生彎曲變形的拉桿（共2根）及其組件進行更換。在更換之前，必須對錨頭及鋼絲做進一步檢查。

2 索股連接件系統的局限性

預應力錨固系統主要組成部分可以分為索股錨固連接器和預應力鋼束錨固系統[3]。索股錨固連接器主要組成部分可以分為拉桿組件、連接器構件以及其他組成構件。錨具、鋼絞線、管道及錨頭防護帽等主要組成部分構成了懸索橋預應力錨固系統。拉桿前端與主纜索股相互連接在一起，而拉桿的另一端則與索股連接器相互連接，由此完成了主纜系統與混凝土錨塊中的預應力錨固系統的相互轉化。

設計及施工索股連接件系統時的問題及局限性主要體現在以下幾個方面:

（1）設計時安全系數偏小。通常主纜索股、索股連接件等在設計過程中，應該按照小于2.5 的安全系數來考慮，而實際設計圖紙中往往出現小于2.0 的安全系數的情況。

（2）連接器結構形式多種多樣。索股連接器通常設計為整體和分體這兩種形式。整體式連接器安裝定位便捷快速，但加工制造較難。分體式連接器在缺少連接件時安裝定位比較復雜，但是加工制造時比較方便。

（3）原材料使用不統一。如拉桿組件，有40CrNiMoA、40Cr、35CrMnSiA、35CrMo 等多種材料。

（4）檢驗要求不合理。零件有時要求射線探傷，但對鍛造件并不適用，實際操作較難。

3 拉桿更換設計

3.1 拉力分級張拉設計

預應力錨固系統中采用位于拉桿上的平墊圈、六角及鎖緊螺母等對主纜錨頭和拉桿相互連接并固定在一起，采用球面螺母及墊圈、鎖緊螺母同連接器的平板相互連接并固定在一起[4]。為提升拉桿的疲勞性能，拉桿、螺母螺紋等材料的性能全都采取軍用MJ 標準，連接器的平面位置可以使用球面墊圈及螺母來調節誤差，使得索股的軸線方向同拉桿的中心位置處于一條直線上，預防由于偏心受力而產生次應力，并設計鎖緊螺母預防動荷載作用工況下螺母產生影響。

為了便于在施工中進行控制，明確在更換拉桿過程中拉力分級張拉。拉桿更換首先要求拉桿方向均與其對應的索股方向一致，預應力鋼絞線對應于索股的發散布設方向。本項目單根拉桿的永存拉力為533 kN，應該采用分級進行張拉。本次張拉分3 級進行張拉，每次張拉150 kN，并且每次張拉后需對錨頭、鋼絲、拉桿進行檢查。若發現異常，必須立刻暫停拉桿張拉，并找到相應的解決方案后才可繼續下一步。現場拉桿更換及張拉如圖4、圖5 所示，拉桿更換設計施工程序如圖6 所示。

圖4 現場拉桿更換圖

圖5 現場張拉圖

圖6 拉桿更換設計施工程序圖

3.2 拉桿更換監控要點

拉桿更換監控可以保證施工宏觀質量及安全。更換過程中，可以指導施工、進行安全預警及優化施工過程，根據現場結構實際狀態對施工過程各方面做出及時調整，并監測監控整個施工過程，防止誤差累積，保證結構安全與穩定。

為保證拉桿更換施工質量，本設計明確應加強施工過程中的數據監控。施工過程中，必須嚴格對過程中數據進行監控，監控斷裂對應索股及錨拉桿，也要監控相鄰索股的拉力，防止對鄰近索股產生較大影響，影響結構安全，且監控根數不得少于10 根，并要實時監控斷裂拉桿的變位情況。

錨固系統中的主要構件包括拉桿、聯結器、螺母及墊圈，需要加大質量管理力度，嚴格進行檢查，因此對錨固系統拉桿及其組件的無損檢測做出要求：每一個構件都需要逐個編號，并進行百分之百的聲探以及百分之三十的射探。如果Ⅱ級合格，構件的表面需要進行磁探，然后建立構件檔案。在出廠前，構件要求封裝時使用塑料密封，而且要求必要的措施來保證在運送和儲存時不會受損或發生銹蝕。

3.3 拉桿防腐措施

對懸索橋錨固系統的防腐研究及措施包括以下三點：（1）混凝土錨體及錨桿的防腐；（2）連接件系統的防腐；（3）錨固系統中纜索的防腐。大多數學者主要對混凝土錨體及錨桿進行防腐研究，但是目前在連接件系統和錨固系統這兩個方面的防腐研究還比較少。

大量防腐研究表明：采用在前錨室內放置抽濕的儀器，讓內部濕度相對值小于50%[5]；并采取以下防腐措施：（1）在出廠前對構件進行一層法蘭防腐處置措施，在現場刷一道醇溶性無機硅酸底漆涂料。涂料為20 μm 的干膜厚度，經過二次表面處理后，再涂一道改性厚漿環氧面漆，涂料為100 μm 的干膜厚度。（2）向預應力管道及錨頭保護罩內灌防腐性的油脂，并且通過前錨面觀察窗查看防腐油面。

本次拉桿更換完成后，采用的防腐涂裝為：5 層75 μm 環氧富鋅底漆，5 層125 μm 環氧云鐵中間漆，5 層2×50 μm 氟碳面漆。具體見表1。現場防腐措施如圖7～圖9 所示。

表1 拉桿防腐設計

圖7 拉桿底漆防腐涂裝

圖8 拉桿中間漆防腐涂裝

圖9 拉桿面漆防腐涂裝

3.4 材料性能要求

預應力錨固系統技術指標如下：

（1）在靜荷載工況下的拉桿構件抗拉強度設計，安全系數不小于2.5。

（2）經過200 余萬次的上、下限荷載不斷反復作用，拉桿組裝件的拉桿及螺母未出現裂紋，螺母在荷載作用下未發生松動，螺紋在荷載作用下未發生變形。

（3）施加120%索股的設計荷載作用值時，連接件的變形最大值不超過0.5 mm。

（4）對于預應力錨固系統錨具組裝構件，其靜荷載錨固性能試驗下錨具效率系數不小于95%，其破壞斷裂時的總應變不小于2%。

在拉桿更換時，錨固系統錨索拉桿及其組件應滿足如下材料性能要求：

拉桿更換過程中拉桿及螺母、墊圈分別使用40CrNiMoA 鋼材及40Cr 鋼材，其技術條件均應符合《合金結構鋼》（GB/T 3077—2015）的有關規定，力學性能要求如下：

40CrNiMoA：cb=980 MPa，σs=835 MPa，δ5≥12%，ψ≥55%。

40Cr：cb=980 MPa，σs=785 MPa，δ5≥9%，ψ ≥45%。

4 結論

本文主要進行懸索橋錨索拉桿更換設計研究，通過對某懸索橋錨固系統中連接件系統拉桿更換設計，明確了更換拉桿的拉力分級張拉，并且每次張拉后需對錨頭、鋼絲、拉桿進行檢查，并要求加強施工過程中的數據監控，且對拉桿更換的材料性能做出了明確要求，最后明確了拉桿更換完成后拉桿的防腐處理方案，保證了施工質量，提升了橋梁營運期間的安全防護能力，可以極大地減少運營后期的維修成本。通過對此次拉桿更換進行設計研究，明確了拉桿更換技術的要點及注意事項，對營運橋梁的預防性養護工程和提升營運橋梁的安全防護能力方面具有較大的參考價值。