摘 要：進(jìn)入二十一世紀(jì)后，國(guó)內(nèi)外越來越多的斜拉橋進(jìn)行了維修加固工作，其中斜拉橋拉索更換在維修工程中占據(jù)很大的比重。本文以某一實(shí)際獨(dú)塔斜拉橋換索工程為依托，研究斜拉橋換索對(duì)結(jié)構(gòu)線形與應(yīng)力的影響，以期為相關(guān)工程提供指導(dǎo)和借鑒。

　　關(guān)鍵字：核心期刊發(fā)表,斜拉橋,換索,線形,應(yīng)力

　　Abstract： Since the beginning of 21st century， more and more cable-stayed bridges， both domestic and abroad， have received repair or reinforcement work in which cable replacement work occupies a large proportion. On the base of a cable replacement of cable-stayed bridge， the impact of changing structure linear and stress is studied to provide guidance and reference for relevant projects.

　　Keywords： cable-stayed bridge， cable replacement， structure linear， stess

　　0引言

　　近半個(gè)多世紀(jì)以來，斜拉橋在全世界得到了迅速的發(fā)展。由于目前材料防腐技術(shù)和施工以及運(yùn)營(yíng)管理的問題，國(guó)內(nèi)外很多斜拉橋都已經(jīng)或者即將面臨換索和索力調(diào)整的問題。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，20世紀(jì)70至90年代初，我國(guó)修建的30多座斜拉橋中，已經(jīng)加固修復(fù)的橋占65%。國(guó)內(nèi)外已更換拉索的斜拉橋中拉索實(shí)際使用壽命普遍偏短，未達(dá)設(shè)計(jì)使用壽命。使用壽命最短的僅有5年，與拉索一般設(shè)計(jì)使用壽命30年相差懸殊，因此，必須在新建橋梁時(shí)，充分做好拉索的防護(hù)工作，延長(zhǎng)拉索使用壽命。那么，更換斜拉索對(duì)結(jié)構(gòu)的線形和應(yīng)力的影響如何?本文以上虞市人民大橋換索實(shí)際工程為依托，針對(duì)這一問題開展討論研究，以期為類似工程提供參考和借鑒。

　　2工程概述

　　2.1橋梁概述

　　上虞市人民大橋主橋上部結(jié)構(gòu)為H型獨(dú)塔雙索面斜拉橋，每個(gè)索面由14對(duì)拉索組成對(duì)稱平行索面形式，全橋共計(jì)112根拉索。拉索采用高強(qiáng)度平行鋼絲組成，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1670MPa，按照索力大小分為121Φ7、127Φ7、139Φ7及163Φ7四種規(guī)格。橋面至塔頂高度70m，主橋跨徑布置(如圖1所示)為125m+125m，橋?qū)?6m，布置為4m人行道+18m車行道+4m人行道。斜拉橋主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，等截面箱梁高度為2.2m。

　　圖1 人民大橋總體布置(單位：cm)

　　2.2病害情況

　　因斜拉索年時(shí)已久，外套PE開裂，內(nèi)部鋼絲銹蝕嚴(yán)重(見圖2)。通過對(duì)箱梁外部觀測(cè)，未見明顯影響結(jié)構(gòu)安全和承載能力的損傷、裂縫。但是橋面東側(cè)，近E13號(hào)拉索附近，有一條橫橋向裂縫(見圖3)，因索力分布變化產(chǎn)生塔偏導(dǎo)致橋梁線形突變而產(chǎn)生。

　　圖2斜拉索銹蝕情況 圖3橋面橫向裂縫

　　3換索方案及監(jiān)控內(nèi)容

　　3.1施工總體方案

　　在建設(shè)單位要求的施工期間不中斷交通的條件下，施工期間封閉一側(cè)車道，僅開通另一側(cè)兩車道實(shí)行雙向單車道通車，大橋換索施工采用先上游后下游、先長(zhǎng)索后短索、同時(shí)拆除一對(duì)舊索緊接著安裝一對(duì)新索的換索順序?qū)θ珮蛐崩�索進(jìn)行更換。

　　換索施工前采用鋼管搭設(shè)塔外腳手架、采用型鋼搭設(shè)塔下安全通道、塔頂牽引吊架、梁底倒掛平臺(tái)、布設(shè)卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引系統(tǒng)，換索施工完成后拆除該臨時(shí)設(shè)施結(jié)構(gòu)。

　　圖4半封閉施工現(xiàn)場(chǎng)全景 圖5新索掛設(shè)施工照片

　　3.2有限元模型

　　全橋共劃分285個(gè)節(jié)點(diǎn)，283個(gè)單元，其中索單元56個(gè)，梁?jiǎn)卧?27個(gè)，拉索采用考慮Ernst公式修正后的索單元進(jìn)行模擬，主塔和主梁采用梁?jiǎn)卧�模擬，拉索與主梁之間采用剛性連接。橋塔根部固結(jié)，主梁懸臂端豎向約束。全橋有限元模型如圖6所示。

　　圖6 人民大橋有限元模型

　　3.3監(jiān)控內(nèi)容

　　斜拉橋換索過程中結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)的監(jiān)測(cè)是斜拉橋換索施工控制的重要環(huán)節(jié)，其施工監(jiān)控的重點(diǎn)包括幾何狀態(tài)監(jiān)測(cè)、索力監(jiān)測(cè)、應(yīng)力監(jiān)測(cè)及裂縫監(jiān)測(cè)共4個(gè)部分。通過對(duì)結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵參數(shù)的監(jiān)測(cè)，跟蹤施工過程并獲取結(jié)構(gòu)的真實(shí)狀態(tài)，不僅可以修正理論設(shè)計(jì)參數(shù)，同時(shí)又是一個(gè)安全預(yù)警系統(tǒng)，通過預(yù)警系統(tǒng)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和避免橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形在施工過程中超出設(shè)計(jì)范圍，甚至出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞。本文僅對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和線形監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，以研究換索對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力和線形的影響。

　　4換索對(duì)結(jié)構(gòu)線形和應(yīng)力影響分析

　　4.1幾何狀態(tài)分析

　　人民大橋全橋換索結(jié)束后，監(jiān)控方對(duì)主梁的線形進(jìn)行了測(cè)量，并與換索前線形對(duì)比，發(fā)現(xiàn)換索前后主梁跨中撓度偏差較大，遂進(jìn)行全橋調(diào)索，調(diào)索工程完成后，將調(diào)索后主梁線形與換索前以及換索完成后的主梁線形進(jìn)行了比較，比較結(jié)果如圖7和8所示。主梁的線形測(cè)點(diǎn)位于在人行道與欄桿的交界處，每隔L/4設(shè)置一個(gè)點(diǎn)，單側(cè)共設(shè)9個(gè)，且上、下游對(duì)稱。

　　圖7 人民大橋換索前后南側(cè)人行道線形比較 圖8 人民大橋換索前后北側(cè)人行道線形比較

　　從人民大橋調(diào)索前后的線形比較可知，在調(diào)索結(jié)束后主梁標(biāo)高略有變化，尤其是進(jìn)行了調(diào)索的斜拉索錨固點(diǎn)處標(biāo)高，變化趨勢(shì)是整體下?lián)�，從而改善了換索結(jié)束后主梁上翹的狀況，說明本次調(diào)索實(shí)現(xiàn)了線型調(diào)整的目的。

　　從調(diào)索結(jié)束后與換索前的線型比較可知，上游東側(cè)人行道邊緣側(cè)最大上翹量為8.8mm;上游西側(cè)人行道邊緣側(cè)最大上翹量為-6.5mm。而下游東側(cè)人行道邊緣側(cè)最大上翹量為29.8mm;下游西側(cè)人行道邊緣側(cè)最大上翹量為2.3mm�？紤]到換索前后線形測(cè)量時(shí)溫差達(dá)到約23℃，而降溫將引起主梁上翹，因此綜合而言調(diào)索后主梁線形最大上翹不到10mm;雖然在上游西側(cè)人行道邊緣側(cè)出現(xiàn)下?lián)系那闆r，但下?lián)现挡怀�過11.4mm，不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生較大影響，所以基本認(rèn)為主梁線形滿足設(shè)計(jì)要求。 　　人民大橋主橋換索完成后主塔偏位情況如下表1所示。由表1可知，在換索完畢后，橋塔向東側(cè)偏位約8mm，橫向向上游側(cè)偏位約7mm，綜合考慮溫度效應(yīng)等因素，橋塔總體偏位較小，換索未對(duì)橋塔產(chǎn)生不利影響。

　　表1 主塔位移變化觀測(cè)表

　　注：1、表中坐標(biāo)為相對(duì)測(cè)量設(shè)定的測(cè)站坐標(biāo);

　　2、表中縱、橫橋向偏位符號(hào)定義：+為下游向、東向，-為上游向、西向。

　　4.2主梁應(yīng)力分析

　　橋梁結(jié)構(gòu)在施工過程中以及在成橋狀態(tài)的受力情況是否與設(shè)計(jì)相符合是施工控制要明確的重要問題。一般通過結(jié)構(gòu)應(yīng)力的監(jiān)測(cè)來了解實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)，若發(fā)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)與理論計(jì)算應(yīng)力狀態(tài)的差值超限就要進(jìn)行原因查找和調(diào)控，使之在允許范圍內(nèi)變化。結(jié)構(gòu)應(yīng)力控制的好壞不像變形控制那樣易于發(fā)現(xiàn)，若應(yīng)力控制不力，將會(huì)給結(jié)構(gòu)造成危害，嚴(yán)重者將發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，所以它比變形控制顯得更加重要，必須對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力實(shí)施嚴(yán)格監(jiān)控。

　　針對(duì)人民大橋結(jié)構(gòu)及換索施工特點(diǎn)，主梁的應(yīng)力控制截面主要選擇橋墩附近截面、近塔跟截面、1/4跨截面及跨中截面。應(yīng)力測(cè)試斷面布置圖如圖9所示，斷面應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置圖如圖9所示。由于斜拉索支撐的主梁呈多跨彈性支撐連續(xù)梁狀態(tài)，在舊索卸除、新索張拉前的施工階段，該段主梁的支撐跨度增大，對(duì)主梁的受力不利，因此必須對(duì)受力最不利截面的應(yīng)力實(shí)施監(jiān)控，從而為結(jié)構(gòu)安全提供預(yù)警。

　　圖9人民大橋應(yīng)力控制截面布置示意圖

　　換索結(jié)束后，無施工工況一天內(nèi)主梁各控制截面具有代表性的測(cè)點(diǎn)應(yīng)變情況見表2。由分析結(jié)果可知，應(yīng)變的時(shí)程變化與溫度的變化規(guī)律趨勢(shì)一致，溫度是引起人民大橋運(yùn)營(yíng)過程中內(nèi)力變化的主要原因。換索完畢后，主梁各控制截面均產(chǎn)生了壓應(yīng)變?cè)隽浚�扣除溫度效�?yīng)的影響，拉索索力變化引起的應(yīng)變效應(yīng)較小。

　　表2 關(guān)鍵應(yīng)力測(cè)點(diǎn)應(yīng)變幅值統(tǒng)計(jì)表

　　5結(jié)論

　　由人民大橋全橋換索、調(diào)索完后的線形及應(yīng)變的監(jiān)測(cè)結(jié)果可得如下結(jié)論：

　　(1) 換索完畢后，主梁橋面線形在6號(hào)～14號(hào)索(本處拉索編號(hào)為由短至長(zhǎng)依次為1～14號(hào))之間上翹了約-10mm～10mm，而且橋面主梁存在輕微扭轉(zhuǎn)，個(gè)別高程觀測(cè)點(diǎn)上下游主梁扭轉(zhuǎn)引起的高差約為8mm。

　　(2) 換索完畢后，主梁各控制截面均產(chǎn)生了壓應(yīng)變?cè)隽�，扣除溫度效�?yīng)的影響，拉索索力變化引起的應(yīng)變效應(yīng)較小，并通過調(diào)索改善主梁應(yīng)力重分布。

　　(3) 對(duì)于斜拉橋PC主梁結(jié)構(gòu)，斜拉索換索及調(diào)索對(duì)調(diào)整塔偏位比調(diào)整主梁線形更為明顯，通過調(diào)索大幅度改變主梁線形對(duì)舊橋PC主梁受力更為不利。

　　(4) 斜拉橋換索不可能對(duì)結(jié)構(gòu)沒有任何影響，因此在設(shè)計(jì)換索方案和監(jiān)控過程中應(yīng)將對(duì)結(jié)構(gòu)的影響降至最低，才能更有效地對(duì)斜拉橋進(jìn)行換索，保證結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行。

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