索道桥加固方法研究

第 40 卷第 1 期2024 年2 月
结构工程师
Structural Engineers Vol. 40 ， No. 1
Feb. 2024索道桥加固方法研究
谢辉1张耀1，*史进2
（1.兰州交通大学土木工程学院，兰州 730070； 2.中国科学院西北生态环境资源研究院，兰州 730000）
摘要索道桥新桥建设技术已较为成熟，索道桥达到使用年限时大多选择弃置，加固索道桥可促进欠发达地区的人员交流和物资运输，但目前有关索道桥加固方法的研究较少。

以某索道桥作为工程背景，介绍索道桥加固主要流程和理论计算方法，通过索道桥静载试验说明索道桥维修后的运营能力，提出索道桥养护建议，研究成果可为今后索道桥加固提供借鉴。

关键词索道桥，加固方式，静载试验，养护建议
Study of strengthening method for cableway bridge
XIE　Hui1ZHANG　Yao1，*SHI　Jin2
（1.School of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730070， China；
2.Northwest Institute of Eco-Environment and Resources，Chinese Academy of Sciences， Lanzhou，730000， China）Abstract Although the construction technology of new cableway bridges has reached a relatively mature stage，many such bridges are abandoned once they reach the end of their service life. Reinforced cablestayed bridges can facilitate the exchange of people and transportation of goods in less developed areas，yet there is limited research on effective methods for this type of bridge reinforcement. This paper presents the process and theoretical calculation method for reinforcing cableway bridges ，with a focus on the cableway bridge as the engineering background. The effectiveness of the reinforcement is demonstrated through static load testing of the bridge's operational capacity after repair，and maintenance suggestions for the bridge are proposed. The findings of this paper can serve as a valuable reference for future efforts to reinforce cableway bridges. Keywords cableway bridge， strengening method， static test， conservation recommendations
0 引言
索道桥具有造价低、建设周期短、构件可以更换等优点，索道桥作为临时施工桥梁于高峡谷的工程建设、作为景观桥运用于旅游景区与其他桥型相比具有较强竞争力。

国内建造了诸多索道桥，其中有双跨总长达225 m 的兴义索道桥、单跨度高达438 m 三车道的黄河白浪索道桥和当作公路桥使用的郧西索道桥［1］。

谢春生等［2］系统地解释索道桥结构概念并从设计角度提出了管理养护的基本要求。

叶文奇［3］通过实验和ANSYS 分析说明索道桥加固后运营状况较好，维修处理后能满足50 t车辆通行需求。

景天虎等［4-7］对索道桥主缆布置和桥面系进行了大量研究，适用于新桥建设和成桥后运营分析。

目前《贵州省平拉索桥设计规范》［8］涉及索道桥结构和《公路桥梁加固设计规范》［9］公路桥梁加固流程。

索
收稿日期：2022-11-24
作者简介：谢辉（1996-），男，福建福州人，硕士研究生，研究方向为索道桥。

E-mail：******************** *联系作者：张耀（1968-），女，重庆人，博士，副教授，研究方向为力学和桥梁加固。

E-mail：*******************.cn
·结构加固与改建·结构工程师第 40 卷 第 1 期
道桥作为临时使用桥梁（一般设计年限为5~10年），当索道桥达到使用年限时大多选择被弃置，然而可通过加固索道桥，促进欠发达地区的人员交流和物资运输。

然而国内学者对索道桥如何加固进行系统研究较少。

本文介绍索道桥加固的主要流程和理论计算，并通过加固后索道桥静载试验提出养护建议。

为今后索道桥加固项目提供借鉴。

1 维修前工程概况
某索道桥跨度为109.35 m，桥面全宽6.5 m，主要由钢丝绳（直径39 mm公称抗拉1 670 MPa）、桥台、锚碇、横梁和桥面（松木）系统五大主要部分组成。

其中钢丝绳总共由承重索（人行道4根/侧，行车道38根）和稳定索（10根/侧）组成。

桥梁原行车道部分的宽度4.5 m，两侧人行道宽各为1.0 m。

人群荷载2.5 kN/m2。

2 加固思路
索道桥在长期运营过程中，行车道的承重索磨损严重（顶层钢丝绳截面钢丝最大磨损量接近一半），木质桥面系劣化普遍导致行车道及人行道系统存在安全隐患。

稳定梁等钢构件表面已出现锈蚀现象。

根据通行状况需求及桥梁技术要求，通过更换磨损承重索、铺设钢制桥面系等措施对桥梁维修改造，并对桥梁其余劣化部分进行维修，以满足通行10 km/h、10 t单车的单向通行要求。

3 加固方案
3.1　钢丝绳安装情况　
原行车道承重索磨损严重，顶层钢丝绳截面最大磨损量接近一半。

因此需拆除原行车道承重索，重新安装行车道承重索时通过矢高和索长控制保证行车道承重索、人行道索和稳定索变形一致。

桥面系、护栏及人行道系统拆除后，对人行道承重索及稳定索线型进行测量，作为新行车道承重索的线型放样参考依据。

在原行车承重索上铺设临时竹架板，作为施工猫道，用卷扬机牵引工作索（及承重索）。

拆卸原行车道承重索的索卡，利用南、北岸的卷扬机收索，将卸除后的原行车承重索在两岸堆放。

通过卷扬机收紧工作索，调整承重索钢丝绳矢度，用索夹紧固出发岸的钢丝绳“蛇口”环，矢度调节过程中，应确保钢丝绳穿过锚碇处滑轮的偏角不大于6°，若因卷扬机安装位置而无法保证偏角限值时，可将工作索穿过转向定滑轮加以调节。

当行车承重索铺完1/2 时，即可着手进行行车承重索矢度检查，通过锚碇处的松紧器调节承重索矢度，调节后应使所有承重索同一断面水平，调整后的承重索矢度差应小于20 mm。

钢丝绳应在出厂前完成预张拉，以消除钢丝绳的非弹性变形。

预张拉荷载为钢丝绳公称破断荷载的55%，持荷时间不小于60 min，预张拉次数至少不低于3次，应以消除非弹性变形为准。

判别非弹性变形消除的标准是：最后两次预张拉的非弹性变形量之差，不小于张拉长度的0.15%。

3.2　桥面系统改变　
拆除稳定梁与限位钢板之间的连接螺栓、限位钢板和稳定梁的木桥板，分别运至南、北岸。

量测原木桥板绳槽及栓孔位置尺寸，以此为依据制作钢桥面板。

维修改造后，拆除了原劣化的桥面枕木，更换为由宽度为4.5 m、厚度为12 mm的钢桥面板。

桥面钢板与横梁之间采用螺栓连接。

桥面系横梁采用14#工字钢，长度为4.8 m，间距为
0.37 m。

在新更换的组合钢桥面系中，横梁上翼缘板与桥面钢板之间通过M12 高强螺栓的紧扣在小横梁上，防止钢丝绳滑动。

为防止车辆和行人打滑，在桥面焊接防滑钢筋，人行道部位粘贴橡胶板。

3.3　钢构件除锈、涂装维护　
对钢构件表面进行除锈并清洁处理。

除锈等级达到St3，即钢材表面无可见的油脂和污垢，没有附着不牢的氧化皮、铁锈以及油漆涂层等附着物，底材表面具有金属光泽。

稳定梁表面清洁处理完成后，涂覆一层环氧富锌底漆。

待底漆干燥后，涂覆两层环氧云铁中间漆。

待中间漆干燥后，涂覆两层丙烯酸脂肪族聚氨酯面漆。

各层漆料涂覆完成后，对钢构件涂漆状况进行检查，如发现存在漏涂，应对钢构件进行补漆处理。

·
·159
Structural Engineers Vol. 40， No. 1 Strengthening and Retrofitting of Structures
3.4　钢丝绳保护措施　
由于承重索与横梁、桥面系的连接部位会因桥梁振动对承重索产生磨损，如图1所示，从而引起索道桥使用安全隐患
［10］。

因此，本文提出在其
连接部位设置铝制保护套，铝制保护套采用铝板冲压制成。

通过有限元软件模拟采用保护套施加效果。

钢丝绳和保护套采用实体单元模拟，将桥面和横梁影响等效成均布力作用在保护套面上，将桥面板、横梁、连接钢板及横梁螺栓等效成均布力作用在钢丝绳产生应力，如图2所示。

由图2可知，钢丝绳保护套对防止钢丝绳和构件之间摩擦。

4 加固计算
4.1　钢丝绳结构理论分析　
维修后的桥梁缆索采用66 根镀锌钢丝绳，其中行车承重索38 根、人行道索8 根，稳定索20根。

参考重要用途钢丝绳规范［11］，钢丝绳公称抗拉强度取1 670 MPa ，单根钢丝绳的最小破断
拉力取887 kN 。

由于捻绕的关系，钢丝绳在绕过滑轮的过程中及拉力作用下，相比较同样材料、直径的钢丝绳伸长量要大得多、弹性模量低一倍左右。

考虑钢丝绳绕过滑轮时所引起的弯曲力，钢丝绳容许破断力取39%×887 kN=346 kN 。

钢丝绳绕过滑轮时，会产生抵抗弯曲的刚性阻力［12］。

钢丝绳承受拉力时，换算到滑轮圆周上的刚
性阻力P z 为
P z =fT
（1）
式中：f 为钢丝绳的刚性系数，由下式确定：
f =d 2(1+1 200/T )10(D -10)（2）
其中：d 为钢丝绳的直径，cm ；D 为滑轮直径，cm ；T 为钢丝绳承受的拉力，N 。

4.2　桥面系统计算　
桥面板为12 mm 厚的Q235 钢板，宽度为
4.5 m ，计算跨度取0.29 m ，12 mm 厚钢板理论重量为94.2 kg/m 2。

桥面钢板与横梁之间采用螺栓连接。

桥面系横梁采用14#工字钢，长度为4.8 m ，间
距为0.37 m ，腹板厚度为5.5 mm 。

考虑构造特点，横梁由钢丝绳支撑，计算跨径取0.42 m ，14#工字钢理论重量为16.9 kg/m 。

横梁和桥面钢板材质均采用Q235钢，Q235钢的弹性模量取200 GPa ，Q235钢许用弯曲正应力［σw ］=158 MPa ，剪应力
［τ］=98 MPa 。

恒载取构件自重。

考虑农村道路超载的情况，活载按15 t 重车计算，前轴重取50 kN ，后轴重取100 kN 。

4.2.1　横梁计算　
横梁上翼缘板与桥面钢板之间采用M12高强螺栓进行连接，考虑螺栓对横梁截面的削弱，横梁几何特征取值为：W x1=88×10-6 m 3，S x1=51.5×10-6 m 3，I x1=618×10-8 m 4。

冲击系数取1.3，横梁上的恒载包括计算跨径范围内桥面板、横梁、连接钢板及横梁螺栓的重量。

作用在横梁上的活载为：
g 1=50´1.30.42
=154.762 kN/m （3）
桥面板分布荷载：
g 2=94.2´0.42´9.8´10-3=0.388 kN/m （4）横梁的荷载：
g 3=16.9´9.8´10-3=0.166 kN/m
（5
）
图1　钢索磨损情况
Fig.1　
Wear of steel cable 图2　钢丝绳应力图（单位：kN ）
Fig.2　Protective sleeve under the steel rope stress diagram
（Unit ：kN ）
·
·160
·结构加固与改建·
结构工程师第 40 卷 第 1 期
螺栓分布荷载：
g 4=(g 2+g 3)
´0.05=0.028 kN/m
（6）作用在横梁上的荷载：
q 1= g 1+ g 2+ g 3 +g 4=155.344 kN/m （7）
考虑桥梁构造特点，横梁计算简图如图3
所示。

横梁的跨中弯矩：
M 1=q 1´l 12
8
=3.425 kN ×m
（8）
其中l 1为横梁计算跨径
横梁跨中的弯曲应力：
σ1=M
1W x =38.92 MPa <[σw ]（9）
横梁 1/4 截面处的弯矩：
M 2=3´q 1´l 1232
=2.569 kN ×m
（10）
1/4 截面处的弯曲应力：
σ2=M 2
W x1
=29.19 MPa <[σW ]（11）
1/4截面处的剪力：
Q =q 1l
14
=16.31 kN
（12）
1/4截面处的剪应力：
τ=QS x 1
I x1δ
=24.71 MPa <[τ]（13）
式中，
δ为腹板厚度。

1/4截面处的组合应力：σ22+3τ2=51.81 MPa <1.1´[σw ]（14）
挠度：
[W σ1
]=
l 1
500
=0.84 mm （15）
跨中处的挠度：
W C 1=5q 1l 14
384EI x1
=0.051 mm <[w σ1]（16）
从上述式（8）—式（16）可知，横梁能够满足15 t 重车作用下《钢结构设计规范》［13］
的刚度和应力要求。

4 .2.2　桥面板计算
取单车后轴重100 kN ，冲击系数取1.3，桥面
板的计算跨度取0.29 m ，计算宽度取后轮轮距
1.8 m 。

按简支板计算桥面板的受力，几何特征如下：I x2=25.92×10-8m 4， W x2=43.20×10-6m 3。

简支板的恒载：
g 5=94.2´1.8´9.8´10-3=1.662 kN/m （17）活载按均布力：
g 6=100´1.3¸0.29=448.276 kN/m （18）桥面板的竖向荷载共计：
q 2=g 5+g 6=449.942 kN/m
（19）
桥面板计算简图如图4所示。

简支板的跨中弯矩：
M 3=q 2´l 22
8
=4.730 kN ×m
（20）
式中，l 2为桥面板计算跨径。

简支板跨中的弯曲应力：
σ=M 3
W x2=109.49 MPa <[σw ]（21）
挠度：
[W σ2
]=
l 2
250
=1.16 mm （22）
跨中处最大挠度：
W C 2=5q 2l 24
384EI x2
=0.819 mm <[W σ2]（23）
从式（20）—式（23）可知，桥面钢板满足《钢结
构设计规范》［13］
的受弯构件挠度允许值，因此桥面
钢板能够满足15 t 重车的通行刚度和应力要求。

5 索道桥成桥分析
5.1　桥梁静载试验　
为检验加固后索道桥承载力是否满足设计要
求，对加固后索道桥进行桥梁静载试验，采用重15 t 、前后轴轴距为5.6 m 、轮距为1.9 m 的自卸车
加载，前轴、后轴质量分别为50 kN 和100 kN ，自卸车在桥梁跨中处加载。

索道桥有横梁
13根，在北岸布置基准点，在横梁的梁端布置竖向位移测点，单车跨中加载时，
图3　横梁计算简图
Fig.3　Sketch of crossbeam calculation
图4　桥面板计算简图
Fig.4　Sketch of bridge deck plate calculation
·
·161
Structural Engineers Vol. 40， No. 1
Strengthening and Retrofitting of Structures
实测得到的横梁处挠度结果，如图5所示［14］。

通过量测桥台在试验荷载作用下的水平位移，对刚性桥台的变形情况进行判定，自卸车桥梁跨中加载时，桥台位移量测结果，如表1所示。

在加载过程中，测点处的桥台水平位移变化很小。

考虑风、环境振动等因素对测试结果的影响，水平位移可以忽略不计，原桥台的基础状态正常。

在南侧桥台附近，，选取桥面系的横梁进行车辆荷载作用下的应变测试，车辆左后轮位于粘贴应变片的横梁上方，15 t 单车通过横梁时，测试应力小于材料容许值，可满足通行要求。

根据静载作用下的位移结果，桥台位移可忽略不计。

加载车辆产生的桥面系横梁的应力小于材料的容许值。

因此维修后的桥梁可以满足设计限速10 km/h 、单车10 t 单向通行需求。

5.2　钢丝力学性能试验　
在对承重索拆除后，现场分别切取钢丝绳的滑轮弯曲段及直线段各5段。

在实验室破开清洗后，从每种钢丝绳中随机抽取4根钢丝，使用WDW -E500微机控制电子万能试验机上进行抗
拉强度试验。

钢丝的实测极限拉力见表2。

从钢丝拉力测试结果看，弯曲段的钢丝拉力平均值为9.04 kN ，直线段的钢丝拉力平均值为
9.28 kN ，弯曲段拉力值较直线段降低约3%，两区
段钢丝拉力值实验结果接近。

从钢丝绳材料的试验结果来看，承重索弯曲部位的钢丝力学性能未见明显劣变。

6 养护建议
结合构造特点，为保证临时性桥梁的安全、正常工作性能和桥梁使用的耐久性，就今后桥梁的维修、养护提出以下建议。

（1） 加强桥梁日常管理及桥面清扫，及时清除积水、积土。

（2） 定期对桥面系的联接构件、防滑钢筋、索鞍处及横梁处的承重索连接部分进行检查。

（3） 严格做好限速、限载的措施。

（4） 应经常检查钢索、稳定梁、桥面结构、索鞍、连接器、松紧器等的运行情况，
对发现的一般
图5　横梁挠度变形量
Fig.5　Deflection deflection of crossbeam
表1　
桥台水平位移测试结果
Table 1　Test results of horizontal displacement of
bridge abutment
mm
测点位置加载值残余位移
南桥台东侧0.005
-0.005
南桥台西侧0.0050.002
北桥台东侧0.0000.000
北桥台西侧-0.010-0.020
注：位移指向桥跨为“＋”，指向岸边为“－”。

表2　
钢丝极限拉力试验值
Table 2　Steel wire ultimate tension test value
编号123456789
101112131415
1617181920弯曲段直径/mm 2.522.502.462.562.502.482.402.502.522.522.482.502.422.502.462.502.522.402.502.40
弯曲段拉力/kN 9.459.238.369.618.928.918.699.259.309.699.019.198.668.938.879.098.868.969.048.80
直线段直径/mm 2.562.402.502.522.482.502.502.542.562.522.542.542.402.502.502.502.562.502.502.40
直线段拉力/kN 9.728.919.329.268.969.049.419.759.649.379.519.929.039.158.858.999.149.329.289.09
·
·162
·结构加固与改建·结构工程师第 40 卷 第 1 期
性变形、松驰、损伤、腐蚀等情况，应及时修补或更换。

如发现重大异常，应立即报告并采取中止通行等措施。

（5）钢索、连接器、松紧器、滑轮等每2年需重新涂油一次，稳定梁、索鞍及桥面板等钢构件每2年需重新涂油漆一次。

7 结论
本文介绍了索道桥加固主要流程和基本理论计算方法，基于桥梁相关规范通过桥梁静载试验对索道桥加固后情况进行评价。

通过本文，可以得到以下主要结论。

（1）防止当索道桥到达使用年限后被弃置
导致欠发达地区物资运输问题，因此为今后索
道桥进行加固提供施工和设计参考。

（2）索道桥加固后可以满足限速10 km/h、单车10 t的单向通行要求。

（3）承重索与横梁、桥面系的连接部位会因桥梁振动对承重索产生摩擦破坏，通过在钢丝绳施加保护套可以有效解决摩擦造成的对索道桥性能的影响问题。

参考文献
［1］黄绍金，刘陌生. 现代悬索桥［M］.北京：人民交通出版社，2004.
HUANG Shaojin，LIU Mosheng.Modern suspension
bridges［M］.Beijing：People's Traffic Publishing
House，2004.（in Chinese）
［2］谢春生，边洪坡，李松，等.平拉索桥的结构特点及设计综述［J］.中外公路，2016，36（2）：98-101.
XIE Chunsheng，BIAN Hongpo，LI Song，et al.A review
of structural characteristics and design of flat cable-
stayed bridges［J］.Chinese and Foreign Highways，
2016，36（2）：98-101.（in Chinese）
［3］叶文奇.索道桥承载能力试验分析［J］.科学技术创新，2021（29）：144-146.
YE Wenqi.Test analysis of load carrying capacity of
cableway bridge［J］.Science and Technology
Innovation，2021（29）：144-146.（in Chinese）
［4］景天虎，莫时旭，刘丽荣，等.大矢跨比车行索道桥结构的可行性［J］.福建农林大学学报（自然科学
版），2013，42（2）：218-224.
JING Tianhu，MO Shixu，LIU Lirong，et al.Feasibility
of large sagittal span ratio vehicular cableway bridge
structure［J］.Journal of Fujian Agriculture and
Forestry University （Natural Science Edition），2013，
42（2）：218-224.（in Chinese）
［5］景天虎，马小龙，刘均利等.整体式断面双车道索道桥上部结构研究［J］.世界桥梁，2016，44（4）：50-54.
JING Tianhu，MA Xiaolong，LIU Junli，et al.Study on
the superstructure of integral section two-lane
cableway bridge［J］.World Bridges，2016，44（4）：50-
54.（in Chinese）
［6］景天虎，刘均利，莫时旭等.一种索道桥主索架设参数计算方法［J］.中国科技论文，2017，12（7）：817-
822.
JING Tianhu，LIU Junli，MO Shixue，et al.A method for
calculating the main cable erection parameters of
cableway bridges［J］.Chinese scientific and technical
papers，2017，12（7）：817-822.（in Chinese）
［7］景天虎，王鑫，刘均利，等.索道桥上部结构布置对通行性能影响模型试验［J］.中国科技论文，2021，16
（2）：134-143.
JING Tianhu，WANG Xin，LIU Junli，et al.Model
experiments on the influence of superstructure
arrangement of cable-stayed bridges on traffic
performance［J］.China Science and Technology Paper，
2021，16（2）：134-143.（in Chinese）
［8］贵州省质量技术监督局.平拉索桥设计规范：DB52/ T 1087—2016［S］.贵州，2016.
Guizhou Provincial Bureau of Quality and Technical
Supervision.Design specification for flat cable bridges：
DB52/T 1087—2016［S］.Guizhou，2016.（in Chinese）［9］中华人民共和国交通运输部.公路桥梁加固设计规范：JTG/T J22—2008［S］.北京：人民交通出版社，
2008.
Ministry of Transport of the People's Republic of
China.Design specification for highway bridge
strengthening：JTG/T J22—2008［S］.Beijing：People's
Traffic Publishing House，2008.（in Chinese）
［10］XIE Hui，ZHANG Yao，CAO Xiaoping.A method of calculating cable change parameters for cableway
bridges［J］.Structures，2023（56）：10495.
［11］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.重要用途钢丝绳：GB 8918
—2006［S］.北京，2006.
General Administration of Quality Supervision，
Inspection and Quarantine of the People's Republic of
China，China National Standardization Administration.
Important use of steel wire rope：GB 8918—2006［S］.
Beijing，2006.（in Chinese）
·
·163
Structural Engineers Vol. 40， No. 1
Strengthening and Retrofitting of Structures
［12］周新年.工程索道与悬索桥［M ］.北京：人民交通出
版社，2013.
ZHOU Xinnian.Engineering cableways and suspension bridges ［M ］.Beijing ：People's Traffic Publishing
House ，2013.（in Chinese ）
［13］中华人民共和国建设部，中华人民共和国国家质量
监督检验检疫总局.钢结构设计规范：GB 50017—2017［S ］.北京：中国建筑工业出版社，2017.
Ministry of Construction of the People's Republic of China ，General Administration of Quality Supervision ，
Inspection and Quarantine of the People's Republic of China.Steel structure design code ：GB 50017—2017
［S ］.Beijing ：China Construction Industry Press ，2017.（in Chinese ）
［14］石春秀，张振铄.某索道桥维修过程中索力分析［J ］.
兰州工业学院学报，2018，25（4）：44-47.
SHI Chunxiu ，ZHANG Zhenshuo.Analysis of cable force during the maintenance process of a cableway bridge ［J ］.Journal of Lanzhou Institute of Technology ，2018，25（4）：44-47.（in Chinese ）
·
·164。