看江阴大桥是怎么换索的？

看江阴大桥是怎么换索的？原创 桥梁网 2019-08-02 10:09:27

近年来，随着我国交通事业的迅猛发展，修建了许多大跨度、特大跨度桥梁跨越峡谷、海峡、陆岛和大江大河。悬索桥是跨越能力最大的桥型之一，而吊索作为悬索桥的主要传力构件，为纤细构件，在不同环境中对于损伤是最为敏感的构件。材料性质、使用环境和施工等因素，空气中的氧化气体以及雨水等进入索体，易造成钢丝的腐蚀；车辆荷载、风荷载、雨振风振等动力作用，导致索体钢丝承受循环荷载作用，导致其疲劳失效，因此，吊索的寿命远小于桥梁结构的寿命。例如，英国克莱夫顿大桥曾经更换过长吊索和短吊索，如图1所示。

图1a 英国克莱夫顿大桥长吊索更换

2009年，江阴大桥由于短吊索轴套磨损异响的问题，已经对52根短吊索（钢丝绳）进行了更换，并形成了成熟安全的“单吊点”施工工艺。但是由于长吊索（平行钢丝）的特殊性，采用同样的更换技术，在松弛同样索力的情况下，必然会导致更大的应力场变化，损伤主缆和主梁，从而影响结构安全。大桥自1999年建成通车，距今已19年，而吊索设计寿命为25年，为了进行技术储备和可能出现的应急维修，有针对性地分析研究长吊索更换技术具有非常重要的意义，可以为大桥运营后期的长吊索批量更换提供依据。

图1b 英国克莱夫顿大桥短吊索更换

计算荷载 建立模型

江阴大桥主跨1385米，是国内首座跨径超千米的特大型钢箱梁悬索桥，1994年开工建设，1999年10月建成通车。大桥吊索采用销接式，全桥布置170个吊点，每个吊点有两根吊索，共340根吊索，并在每一个吊点的钢箱梁耳板位置设计了预留孔，方便后期吊索更换。其中长度大于10m的长吊索（1#～33#及54#～85#）采用带PE护套的平行钢丝索股，索股由109根5.0mm镀锌高强钢丝构成；长度小于10m的短吊索（34#～53#）采用80IWRC钢丝绳加PE防护套。吊索上、下锚头均为叉形热铸锚，由锚杯与叉形耳板构成，锚杯内浇铸锌铜合金，叉形耳板与锚杯用螺纹连接。

根据吊索内部锈蚀断丝病害检测结果，大桥下游19#N吊索存在渗水现象，疑似锈蚀。所以此次针对下游19#N吊索更换进行有限元分析，该吊索为Φ5-109平行钢丝拉索，长46.99m，设计恒载索力73t，具体位置如图2所示。

图2 更换吊索位置图

计算荷载

根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）除对施工阶段进行控制计算外，使用阶段分别针对不同构件进行不同组合，当汽车、温度荷载与恒载效应组合时，均为选择性组合，即不利时参与组合，有利时不参与组合。

根据分析，得出最不利载荷组合为：

D+L1+W+T(+)

吊索更换过程模拟均按此组合情况进行计算。

D：恒载

L1：车辆活载（汽车-超20）

T（+）：

钢构件：升温30℃，降温30℃

混凝土构件：升温30℃，降温30℃

温度梯度：索塔温差及加劲梁横向温差荷载均按10度考虑。

W：横桥向风荷载

主梁风荷载仅计算横桥向风力。根据江阴大桥设计文件，大桥主梁横向风载设计风速为27.1m/s，参考《公路桥涵设计规范》，主梁横向风载可取4.064kN/m。

有限元模型

通过MIDAS建立了江阴长江大桥三维模型，共建立1555个节点，1039个单元，主缆、吊索采用索单元模拟，主缆采用单梁模拟，主塔采用变截面梁单元模拟，如图3所示。

图3 有限元模型

工况分析

为尽量减少对桥梁永久结构的影响，避免在吊索锚固区进行开孔、焊接等作业，吊索更换时，均考虑利用预留孔，在永久吊索旁安装临时索夹及临时吊索，通过张拉临时吊索的方式，完全释放更换吊索索力后进行拆除更换。

跨中短吊索部分可以通过单个临时吊点提升的方式完成更换，随着吊索长度的增加，吊索弹性伸长同步增加，单个临时吊点提升难以完成吊索更换，因此，考虑在更换吊索两侧对称增加临时吊索提升。针对19#N吊索设计以下两种工况。

“三吊点”吊索更换受力分析

在下游18#、19#、20#吊索处安装临时索夹及临时吊索，如图4所示。张拉临时吊索，在19#吊索索力卸载后拆除，验算临时吊索、吊索、主缆、主梁等的变形、受力状况，以及索夹的抗滑安全系数。

图4 三吊点吊索更换示意图

（1）吊索索力

从上表可知，临时吊索最大索力近240t，临时吊索对下游吊索、主缆及主梁影响较大，对上游吊索、主缆及主梁影响较小。

临时吊索加载后，定义吊索索力减幅大于5%的为影响区域，因此，临时吊索影响区域为下游16#～22#吊索区域。

（2）下游19#吊索附近主缆及主梁位移

如表4和表5所示，主缆下拉，主梁上提，相对位移达到了0.116m。恒载下19#吊索弹性伸长为0.085m，相对位移比19#吊索弹性伸长量大0.031m，大于19#临时吊索恒载至最不利组合载荷下的弹性伸长0.006m。因此，即使在最不利组合载荷下，需要更换的19#吊索仍被压缩了6mm，可以被顺利地更换下来。

综上，主缆及主缆的竖向位移也显示临时吊索对下游吊索、主缆及主梁影响较大，对上游吊索、主缆及主梁影响较小，且影响区域为下游16#～22#吊索区域。

（3）索夹抗滑验算

根据《公路悬索桥设计规范》（JTG/T D65-05-2015），取摩擦系数0.15，紧固压力分布不均匀系数2.8，18#～20#索夹共8颗高强螺栓，单根螺栓预紧力76.3t。即使不考虑临时索夹所提供的抗滑力，仅永久索夹在螺栓复拧到位的情况下，其抗滑安全系数均大于3，详见表6，满足规范要求。

“五吊点”吊索更换受力分析

考虑到“三吊点”最大临时吊索力接近240t，梁端临时吊索耳板应力较大，在下游17#、18#、19#、20#、21#吊索处安装临时索夹及临时吊索，并张拉临时吊索，在19#吊索索力卸载后拆除，验算临时吊索、吊索、主缆、主梁等的变形、受力状况以及索夹的抗滑安全系数。

图5 五吊点吊索更换示意图

（1）吊索索力

综上，临时吊索最大索力约205t，临时吊索对下游吊索、主缆及主梁影响较大，对上游吊索、主缆及主梁影响较小。

临时吊索加载后，我们定义吊索索力减幅大于5%的为影响区域，因此，临时吊索影响区域为下游15#～23#吊索区域。

（2）主缆及主梁位移

如表10和表11所示，主缆下拉，主梁上提，相对位移达到了0.11m，恒载下19#吊索弹性伸长为0.085m，相对位移比19#吊索弹性伸长量大0.025m，大于19#临时吊索恒载至最不利组合载荷下的弹性伸长0.002m。因此，即使在最不利组合载荷下，需要更换的19#吊索仍被压缩了2mm，可以被顺利地更换下来。

综上，根据主缆及主缆的竖向位移，临时吊索对下游吊索、主缆及主梁影响较大，对上游吊索、主缆及主梁影响较小，且影响区域为下游15#～23#吊索区域。

（3）索夹抗滑验算

根据《公路悬索桥设计规范》(JTG/T D65-05-2015),取摩擦系数0.15，紧固压力分布不均匀系数2.8， 17#～21#索夹共8颗高强螺栓，单根螺栓预紧力76.3t，即使不考虑临时索夹所提供的抗滑力，仅永久索夹在螺栓复拧到位的情况下，其抗滑安全系数均大于3，详见表12，满足规范要求。

钢箱梁耳板应力分析

钢箱梁耳板预留孔的安全是吊索更换能否成功的关键，在“三吊点”和“五吊点”情况下，临时吊索的最大索力分别为240t和205t。利用ANSYS建立耳板有限元模型，将临时吊索力施加在耳板孔上半曲面（半径55mm，厚80mm），得到耳板孔的应力云图如图6和图7所示。从图中可知，尽管两种工况下耳板最大应力均达到323MPa，但是在“五吊点”情况下，应力较大区域的面积明显小于“三吊点”。

图6 “三吊点”耳板应力云图（MPa）

图7 “五吊点”耳板应力云图（MPa）

在不中断交通情况下，采用“三吊点”时，临时吊索索力最大为240t，索夹抗滑安全系数最小为4.6；采用“五吊点”时，临时吊索索力最大为205t，索夹抗滑安全系数最小为4.7，并且钢箱梁耳板应力较小，通过同步张拉5根临时吊索释放被更换吊索的索力，然后进行吊索更换，具有较大的安全储备。

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本文刊载 /《大桥养护与运营》杂志 2019年 第2期 总第6期

作者 / 孙洪滨

作者单位 / 江苏扬子大桥有限公司

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