非洲地區懸索橋全吊索更換工程施工監控技術研究

◎胡立光 寶軍 包剛剛 湯鵬勃 中交第二公路工程局有限公司

非洲地區部分國家因其獨特的歷史背景，早期橋梁多于二十世紀五六十年代由西方國家建造。時至今日，受限于欠發達的經濟和技術水平，以提高舊橋結構的安全系數并維持適度的通行能力為目標的舊橋加固往往是當地政府優先考慮的選項之一。由于吊索系統的疲勞、銹蝕以及其他結構病害不僅限制了橋梁自身的運行功能，也為加固施工帶來一定的風險，研究一套匹配吊索更換施工方案的施工監控方法并嚴格地在全吊索更換施工過程中貫徹執行，是確保吊索更換施工平穩進行的關鍵。

1.工程概況

1.1 項目背景

SAVE河舊懸索橋位于莫桑比克伊尼揚巴內省與索法拉省交界，是一座長870m（120m+210m×3+120m）的四塔五跨懸索橋，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。該橋由葡萄牙的埃德加·卡多佐教授在20世紀60年代設計，建造時間為1969年至1972年。該橋橋梁結構形式非常獨特，其設計表現為一座由三角式吊索體系支承并帶柔性混凝土梁的多跨懸索橋。

主纜的公稱直徑為190mm，吊索的公稱直徑為55mm，兩者均由鍍鋅平行鋼絲組成。全橋共328根吊索，吊索的上端通過索夾與主纜連接，下端交叉錨固在橫梁上。

該橋是莫桑比克交通主動脈EN1國道上跨越SAVE河的唯一橋梁，其設計使用壽命50年，目前已經達到其設計運營年限，該橋體系實現了設計者最初的構想。在運營41年后，該橋發現了一系列病害，其中尤以吊索銹蝕最為突出。經過分析，出現上述情況的主要原因是長期重載交通的通行和維養的缺乏，也與建造年代所使用的材料、防護體系性能略低和計算手段有限等因素有關。

1.2 主要的病害特征

根據國內設計院2017年的現場檢測結果以及葡萄牙Betar公司于2013～2014年對該橋進行檢測所編制的檢測報告，發現橋梁存在的主要病害包括：橋面線形起伏、不勻順，主梁橫向高差，索夾滑移、銹蝕，吊索疲勞及銹蝕，吊索索力不均，混凝土梁的破壞，縱梁支座及橫向限位支座脫落、錯位及失效，主纜等其他設施的病害等。

在上述病害中，橋面線形起伏、不勻順，主梁橫向高差、吊索疲勞及銹蝕（包含索夾滑移、銹蝕），吊索索力不均等是吊索更換所需要解決的主要問題。

吊索上錨固區主要病害為鋼構件銹蝕、纏絲松動、索夾滑移等。下錨固區部分，原橋在吊索從外部進入主梁的交界面處易形成積水，且基本未進行防護，極易形成銹蝕，其中銹蝕嚴重的，已銹斷2/3，隨時有吊索斷裂的風險。

由于吊索索夾的滑移及吊索的受力不均等原因導致橋面線形的變化。

2.吊索更換的設計與關鍵施工方案

本次加固更換對象為除兩端剛性吊索外的全部吊索，共需更換328根。

2.1 新吊索的設計

新吊索采用現代較為先進且常用的吊索構造，設計由61根φ5mm平行鋼絲吊索組成，強度1860MPa，鋼絲外側采用PE護套防腐。

2.2 吊索更換的關鍵施工方案

（1）施工平臺及關鍵設施。吊索更換施工需要在主纜和橋面主梁下方進行施工，對應的施工平臺分別為騎跨主纜的主纜行走平臺以及支撐在橋面上的梁底行走小車。

吊索更換的關鍵設施是用來臨時承接、轉移橋面荷載的臨時吊索系統，該系統主要包含一個由液壓千斤頂構成的調節系統，上端為臨時索夾及其組件，下端為型鋼托梁，中間由精軋螺紋鋼傳力。臨時吊索系統的位置分別在同一個索夾的兩根吊索的橋面錨固點的正上方。

（2）全吊索更換流程。從整體上，吊索更換從橋梁一端的索塔向另一端的索塔施工。全橋共計4個索塔，呈南北布置，以每個主塔為中心共分為4個區，在每個區內的吊索更換施工均對稱于主塔進行同步施工。全橋共計投入12套臨時吊索，伴隨著換索的進行，臨時吊索的安裝位置由主塔逐步向跨中方向移動。

（3）更換施工工藝。單次舊吊索更換施工的工藝流程為：設置臨時吊索→拆除原吊索→滑移索夾位置調整→安裝新吊索→新吊索錨固→錨管上端口防腐處理→下一處吊點換索施工。

3.全吊索更換施工監控的基本思路

3.1 施工監控的目的、必要性和原則

（1）施工監控的目的。本橋結構形式獨特，每根吊索更換施工過程中結構體系將隨施工階段的不同而變化，結構將經歷兩次受力轉換過程。施工過程中須對橋梁結構線形、應力及索力等指標進行監測控制，及時掌握結構實際狀態，在必要時對施工步驟及控制條件做出調整，防止施工中的誤差積累，保證吊索更換過程中的結構安全，確保吊索更換完成后橋面的線形和內力狀態符合設計及規范要求。

（2）施工監控的必要性。一方面，由于本橋新吊索是通過事先精確計算，再由國內工廠制造后海運到場，最后通過嚴格控制安裝誤差來保證其最終無應力下料長度。施工中除采用墊片等方式進行調整外，可用的措施非常有限。因此，考慮到吊索造價高和海運周期長，在施工監控的基礎上進行吊索的無應力長度計算是本工程中極為重要的環節。

另一方面，該橋涉及到橋面線形的調整，施工過程中隨機因素較多，它們都可能對施工過程中的安全和橋面最終線形造成影響。施工中的實時監控，可以通過施工實際荷載情況和監測得到的結構狀態，找出結構產生誤差的原因，通過以后各階段的各種可能的修正以使橋面最終狀態盡可能地逼近理想線形并保證施工過程中結構的安全可靠。

（3）施工監控的基本依據。在進行該橋施工監控方法研究時，需要基于該橋自身的客觀實際情況，進行科學合理的分析以完善監控方法的理論基礎。

1）橋面線形目標調整值的確定原則。根據對既有舊橋資料的分析，在各跨跨中實測的規律性主梁上拱抬高很可能是在建造時即已形成。因此，本橋的線形調整目標應以目前橋梁起伏線形為基礎，避免對已接近設計使用壽命的橋梁進行過大的擾動，同時又能使其每一跨的縱向線形達到勻順。

根據實測線形和原設計理論線形的對比，將各索塔位置恢復至原設計理論高程，并和兩側橋臺共同作為基準點。兩個邊跨主梁大部分實測高程在原設計理論高程下方，因此邊跨的線形設定為直線連接橋臺與相鄰的橋塔主梁基準點；三個中跨保持目前的起伏線形，跨中橋面標高與索塔處主梁標高高差設定為20cm，以余弦曲線形式過渡[1]。

2）吊索無應力下料長度的確定原則。主纜的高程基本無法調整，但更換吊索的同時通過復位索夾可以使主纜回到初始受力狀態。假定滑移吊索在復位前后的吊索索力不變，因而主纜線形也不發生變化。因此，首先在溫度穩定且空載的情況下，實測主纜線形及橋面線形；再根據實測橋面線形，擬合出調整線形后的橋面目標線形；最后通過實測主纜線形、橋面目標線形及設計院提供的吊索索力，結合空間幾何以及彈性公式即可計算對應實測溫度下的吊索無應力狀態下的下料長度。

考慮到現場的可操作性，該橋新吊索的無應力長度計算是通過將吊索彈性可伸長部分的無應力長度與吊索的構造長度（非彈性伸長部分）相加得出。

3.2 施工監控的基本方法、主要內容和過程控制

（1）施工監控的基本方法。通過設計院提供的計算索力、主纜線形及目標線形確定吊索下料長度，并在換索過程中監控吊索索力、主纜線形、橋面線形、索塔偏位及應力。

（2）施工監控的主要內容。根據本橋加固設計要求，在吊索更換施工過程中，對梁體、主纜、吊索、索塔等關鍵部位的應力、變形、內力進行監測，并對監測數據進行分析，指導施工控制[2]。

施工監控的監測內容如下：

1）變形：橋面線形、主纜線形、索塔變形；

2）應力：索塔控制截面處的應力；

3）索力：全橋吊索索力及相應的臨時吊索索力；

4）溫度：環境及結構溫度。

（3）施工監控的過程控制。

1）為實現換索目標和結構安全，施工監控的工作內容要與吊索更換施工全過程高度匹配。

2）施工監控的過程控制要遵循科學流程，做好提前預測、過程中調整修正等工作，確保監控過程的閉環。

4.施工監控工作的開展

4.1 結構變形監控測點的布置和監測方法

（1）主纜測點布置。在主纜上每個索夾位置處設置固定反光標記，全橋共83對索夾，共166個測點，采用全站儀測量各點的三維坐標，據此計算主纜各控制點的三維變形情況。

表1 SAVE河懸索橋吊索更換施工監測工況和相應的監測內容

圖1 施工監控的簡要流程圖

（2）索塔測點布置。在每個索塔塔頂上下游各設1個測點，全橋4個索塔，共8個測點，采用全站儀測量各點的三維坐標，據此計算索塔塔頂的三維變形情況。

（3）橋面線形測點布置。主梁橋面線形測量利用水準測量的方法觀測橋面上已布設的橋面線形監測點，如圖2所示，全橋橋面線形監測點共計168個。

圖2 橋面線形測點布置示意圖

4.2 結構應力的測點布置和監測方法

在每一座索塔的根部各布置6個應力監測點，全橋共4座橋塔，共計24個測點。每個測點處設置1個混凝土表面應變傳感器，主要監測索塔在施工過程中的應力變化情況，再結合橋塔塔頂偏位，分析施工引起的索塔內力變化情況。

本次結構應力監測，擬采用振弦式表面應變計及配套的自動化采集儀。

對于主塔應力測點，采用混凝土式表面應變計，具體安裝時，將測點附近混凝土表面打磨后，使用一段錨桿通過鉆孔的方式將傳感器的兩個端塊固定在混凝土表面，并在傳感器外側安裝保護盒[3]。

4.3 吊索索力的監測

吊索索力是反映橋梁施工各階段受力狀態的重要指標之一，索力測試與分析是施工監測的重要內容。本橋吊索更換施工過程中需監測全橋328根吊索索力，采用振動法對新吊索索力進行測試。

振動法測試吊索索力的基本原理是采集吊索在環境隨機振動激勵下的振動信號，通過頻譜分析得到其自振頻率，根據弦振方程以及吊索的固有計算參數（索長、單位索長質量），計算分析索力。

5.結語

作為一座超齡懸索橋，莫桑比克SAVE河懸索橋的加固維修充滿了風險和挑戰。項目監控團隊因橋施策，開展了一系列的換索施工監控方法研究，結合監控施工的總體目的和橋梁病害的實際，項目監控團隊首先確立了科學合理的監控原則，通過對橋面線形調整目標值的確定和優化為施工監控打下基礎；接著以橋面線形和吊索索力為主要監控對象，結合吊索更換施工工藝特點，在過程中落實對結構物安全狀態的監控，不斷總結經驗，進一步完成了對吊索無應力下料長度計算的優化，實現了吊索更換的安全目標和施工目標，為同類型的超齡懸索橋全吊索更換施工的監控積累了寶貴經驗。