斜拉桥拉索更换设计方法

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斜拉桥拉索更换设计方法
蒋彧
【摘要】阐述了斜拉索腐蚀损伤的机理与影响因素,提出换索是去除桥梁病害并改善结构状态的重要手段.提出了斜拉索换索设计方法与要点,包括换索前状态评定、换索中结构分析及新斜拉索的设计.最后总结了斜拉索换索施工技术及注意事项,为斜拉索的更换设计与施工提供参考.
【期刊名称】《黑龙江交通科技》
【年(卷),期】2018(041)007
【总页数】2页(P117-118)
【关键词】斜拉桥;斜拉索病害;拉索更换;结构安全;设计方法
【作者】蒋彧
【作者单位】重庆市交通工程质量检测有限公司,重庆 400067
【正文语种】中文
【中图分类】U442
1 斜拉索腐蚀损伤的影响机理
1.1 斜拉索构造特点
斜拉索是斜拉桥的关键受力部件,斜拉桥的损伤大部分是斜拉索损伤。

而斜拉索布置于梁体外部,并长期处于高应力状态,其截面尺寸又小,对腐蚀作用非常敏感。

两种典型的斜拉索构造型式,一种索体材料是高强度钢丝成束,两端用冷(热)铸锚
结构组件锚固;另一种索体材料是高强度钢绞线,两端用专用夹片群锚组件锚固。

1.2 斜拉索腐蚀损伤机理
影响拉索腐蚀的常见因素有:氧气、水、电化电位、高强度钢筋和持续作用的拉应力。

如果锚固位置封闭不合理,空气和水汽就会侵入,这些因素作用在一起就会引起电化电位变化,引起钢材腐蚀,产生应力腐蚀裂缝和氢化断裂,从而影响斜拉索的使用寿命。

上述是斜拉索腐蚀损伤的基本机理,实际上施工中质量及养护不当、斜拉索振动显著、金属蠕变等问题也会加剧上述过程,使得斜拉索使用寿命远远低于预期值。

1.3 影响因素分析
(1)施工质量及养护不当会造成拉索的损伤。

由于制作和施工质量差,高强钢丝有
接头、机械损伤、刻痕、断丝等情况;热挤PE护套因温度、含水量、均匀性、光泽控制不好、外表被划伤而减少使用寿命;钢丝的墩头裂纹、冷铸材料强度不够、锚具密封不严、环氧混合料灌注的密实程度不够都将导致斜拉索锚具的腐蚀。

(2)斜拉桥刚度较小,在车辆、风荷载、风雨联合作用下容易产生振动,激烈的振
动会大大加速拉索防腐层的磨耗或破损,影响防护体系的完整,加剧拉索的腐蚀。

(3)斜拉索具有蠕变特性。

由于蠕变,拉索无法维持原有的长度和应力。

松弛伸长
量较大,从而使防护体系的各个部分趋向于独立变化,在套筒内周和混凝土外表面之间产生缝隙,在徐变和收缩的影响下,会发展成常规裂缝,盐和其他化学物质就能乘虚而入,侵蚀钢丝。

2 斜拉索换索设计方法与要点
2.1 换索设计目的
运营多年的斜拉桥,由于后期恒载增加、拉索松弛、混凝土收缩徐变以及温度影响,其线形和内力会偏离原来的设计。

斜拉桥特点之一是可通过调索人为地调整全桥的线形与内力,所以斜拉桥换索工程
的目的除了能更换业己“老化”的斜拉索,解决前已提及的斜拉索腐蚀问题外,还可以通过优化新拉索索力,间接达到改善全桥的线形和内力的目的。

2.2 换索前状态评定
(1)查看拉索、锚具和阻尼器的外观以确定拉索上和锚具中是否有腐蚀发生;
(2)查看斜拉索的PE保护层是否有严重的开裂和损伤,对PE保护层损伤有疑虑的地方应剥开PE保护层经行检测确定;
(3)锚具因腐蚀会导致拉索产生显著变位滑移而大程度的受到损害,通过拉索的端
部位移判断是否出现锚具的腐蚀;
(4)如果在大多数锚具中发现有很多水,表明锚具内表面可能腐蚀损伤存在,对塔
上锚头及锚下垫板采用锈蚀分析仪进行检测判断是否确实存在腐蚀。

2.3 换索过程结构分析
(1)基于弯曲能量最小法下的索力增量法,在给定的目标下,要求同时满足内力和
线性的拟定,同时求解处在现存索力和内力情况下,找到换索后的拉索索力增量。

(2)利用广义影响矩阵的概念,将斜拉桥需要控制和调整的多种目标函数统一用索
力变量和广义矩阵表示,从而实现用一种方法对多种目标进行调整优化这种方法同样适用于成桥之后的索力偏差纠正和换索工程中张拉新索索力的确定,公式如下{X}=[F]{S}
式中:{S}为索力的调整矢量;{X}为索力的偏差矢量;[F]为索力的影响矩阵。

2.4 新拉索设计
新的斜拉索应采用能代表目前斜拉索水平的成熟产品,满足相应的标准规范;同时,新的斜拉索设计应和原有斜拉索锚固等构造协调;最后,新的斜拉索按照与原斜拉索强度等代替换的原则设计。

对要更换的拉索,要确定新拉索长度。

考虑思路是在原设计索长基础上,对旧拉索张拉端锚头外露量、垫板富余量、新旧拉索的弹性模量差以及新旧锚头结构变化四
个因素进行修正,最终确定的新拉索总长度为
L=l+l1+l2+l3+l4
式中:l为旧拉索总长度;l1为锚头外露量修正;l2为锚垫板修正;l3为弹模影响修正;l4为锚头结构修正。

3 斜拉索换索施工及注意事项
斜拉索换索施工涵盖了旧索拆除、张拉新索和施工监控三个过程,施工流程详述如下。

旧索拆除过程如下:①旧索拆除前需要准备相关施工材料和设备,并对旧索索力进行测点;②安装拉索的起吊、牵引和放张系统,放张系统应该逐级卸载拉索索力;
③拆除拉索的张拉断锚头,并将拉索在桥面进行切割和转运,清理锚孔并进行套筒的防水及防锈措施。

新索张拉过程如下:①进行挂索前的准备工作,安装并检测起吊及牵引系统,并检验合格的斜拉索运输到现场;②安装斜拉索的放索盘和运输小车,将牵引系统与张拉锚头段进行连接,起吊、牵引系统提升拉索至一定高度;③采用卷扬机牵引梁端锚头进入索套管并安装锚头,挂索完毕后进行千斤顶同步张拉至监控索力,并同步锁定螺母;④安装拉索减震器并灌入防腐油脂,进行防水和防雨措施的安装,检验合格后投入使用中。

施工监控的主要内容:斜拉桥一般通过控制索力或线形促使主梁的内力和线形进入拟定的设计状态,但实际操作时将视具体情况而会有所偏重。

对于运营多年后的斜拉桥,换索时控制高程或控制斜拉索索力时,应视主梁刚度来选择。

例如,塔、梁、墩刚性连接的斜拉桥,主梁刚度很大,少数几根索索力的变化对主梁变形影响很小,此时应选择对斜拉索的调索数量和拉索张拉吨位进行控制;而对于悬浮体系的斜拉桥,调索时索力的变化对主梁线形的影响比前者有效,此时在换索施工中,应以线形控制为主、兼顾索力控制。

为保证换索施工安全、高效的进行,整个换索期间需
对桥梁进行全面监控,同时要限制交通量,必要时中断交通。

4 结论
斜拉索的使用寿命往往远低于桥梁结构,特别是运营环境恶劣的情况下拉索的病害问题更加突出,因此换索成为减除病害并调整桥梁状态的重要手段。

分析了斜拉索病害机理与影响因素,说明换索的重要性和意义,并对换索更换设计及施工进行了讨论和分析,为斜拉索的换索设计与施工提供了参考。

参考文献:
【相关文献】
[1] 吴育苗, 蒋湘成, 朱利明. 斜拉桥斜拉索体系病害分析与处理方案[J]. 世界桥梁, 2013, 41(3): 77-80.
[2] 尼宏杰, 尼颖升. 独塔单索面混凝土斜拉桥换索技术研究[J].城市道桥与防洪, 2016,(11): 41-44, 51.
[3] 徐大振. 矮塔斜拉桥斜拉索防腐施工技术[J].公路交通科技: 应用技术版, 2016,(12): 123-124.。

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