既有斜拉桥换索状况综述

成永强

1 斜拉桥的发展概况

斜拉桥是一种主要由索、塔、梁三种基本结构组成的复杂结构体系,以主梁受轴向力(密索体系)或受弯(稀索体系),拉索受拉和索塔受压为主。

自从1938年德国工程师Dishinger首先提出现代斜拉桥设计构思理论以来,迄今全世界已修建斜拉桥300多座。虽然我国斜拉桥建造技术起步较晚,但自从1975年第一座斜拉桥在四川云阳建成以来,已修建斜拉桥100多座,其中跨径超过200 m的有60多座。表1列出了世界上主跨跨径大于500 m的18座斜拉桥。

2 换索斜拉桥

斜拉桥虽然在过去70年里得到了蓬勃的发展,但由于斜拉桥建造初期理论的不成熟,施工过程的复杂多变,营运阶段养护部门的管养不力,导致既有斜拉桥在人为作用、环境因素以及结构材料内部因素等作用下,结构老化、承载能力下降,特别是斜拉桥拉索构件破损最严重。表2列出了国内外已换索的23座斜拉桥。

表1 大跨径斜拉桥

表2 斜拉桥换索情况

从表2中既有斜拉桥换索情况来看,所有已换索斜拉桥拉索使用寿命均小于20年,远远小于现有斜拉桥的设计基准期,并且在23座已换索斜拉桥中有19座位于我国。之所以我国有这么多斜拉桥需进行换索来延续生命,主要是因为我国斜拉桥建造技术仍然落后,因设计、施工周期太短考虑不足,后期管养不力,特别是拉索索体材料以及拉索防护技术研究不足。

3 换索斜拉桥拉索病害

长期裸露于自然环境中的拉索构件,在人为作用、自然环境和材料自身因素作用下处于高应力工作状态,极易导致拉索防护系统破损。在拉索防护系统破损后,拉索钢丝部分将发生腐蚀破坏,由于拉索钢丝处于高应力状态,因而钢丝对腐蚀影响非常敏感,在钢丝发生腐蚀后拉索极限承载力退化加快,最终导致拉索不能继续承载而必须将其更换。

通过对国内外既有斜拉桥拉索现存病害的分析可知:导致既有斜拉桥拉索破坏的主要原因有以下几种:

1)腐蚀。斜拉索的腐蚀主要是由于拉索与周围介质发生电化学作用,造成氧化还原反应所致。拉索钢材中的合金元素、渗碳体及其他杂质往往构成阴极,铁元素构成阳极,当拉索表面凝结和吸附水汽而形成水膜时,就构成了无数微电池,导致拉索腐蚀。另外,空气中的氧气、二氧化硫及二氧化碳等还会不断地溶解到水膜中去,促进铁元素的电离,加速拉索腐蚀。

对于PE套管内压注水泥浆的拉索防护系统,由于混凝土化学组成的局部差异、不同的充气条件以及钢筋表面的不均匀性导致产生拉索腐蚀所需的电位差,使得电子通过钢筋从阳极流向阴极,从而造成钢丝腐蚀。

在内部干燥的情况下,水泥浆的离子电导率极低,即使碳化深度达到也难以发生钢丝腐蚀,但在钢套管、铝套管、聚乙烯套管内压注的水泥浆会产生泌水现象,常常使套管中水泥浆不能快速凝结为水泥石。由于未凝结水泥浆的电导率远比干燥硬化的水泥石大,以及在未充满水泥浆的空隙中有氧气的存在,导致钢丝的腐蚀。

另外,由于拉索锚具初始缺陷的存在,后期防护的不当,杂物和水分将进入锚具预埋钢导管导致锚具锈蚀,严重影响了拉索的使用寿命。

2)疲劳。在交通荷载、风荷载和地震力作用下,拉索构件长期处于交变应力工作状态,导致拉索发生疲劳损伤破坏,特别是在拉索锚具端口附近疲劳影响最大甚至导致拉索发生断丝破坏。

3)施工质量损伤。1988年6月通车的广东九江大桥在现场制索时,由于工艺粗糙、保护措施不力,导致索体先天性的损伤,进而加速了PE保护层的老化、破坏和钢丝的锈蚀。

美国Luling桥,由于施工不当造成拉索切口、刻痕、套管搭接失败和钢丝对接失败而不得不对72根拉索中的42根进行修整。

4)松弛引起的损伤。由于松弛,拉索无法保持初始长度和应力,使防护体系与索体钢丝脱节,致使防护体系出现裂隙并发展成常规裂缝,从而使盐和其他化学物质侵入,腐蚀钢丝。

日本某座斜拉桥在竣工后不到五年,拉索的松弛伸长量就达到了11.8%,使拉索无法维持原有设计长度和应力,危及既有斜拉桥结构体系的安全性。

4 换索实践经验

1)委内瑞拉的马拉开波(Maracaibo)桥。在换索作业时,为了保证梁、索、塔处于安全范围内,采取逐根更换的方式,并采用相应的辅助索。2)英国的伍埃(Wye)桥。由于单股索的布置会使换索工程施工难度加大,且工期较长,故将原有拉索全部换成新的双索体系。另外为了避免将桥面拉得太高使该桥处于超限应力状态,需在张拉新索后立即拆卸旧索[5]。3)广州海印桥。以先外索(长索),后内索(短索)为原则,并结合原有拉索的损害严重程度和临时的抢修特例酌情调整换索顺序,以取得安全、快速、方便的换索效果[5]。4)济南黄河公路桥。该桥的换索原则是尽量不改变结构的受力状况,适度调整索力和改善线形,以保持既有桥梁结构工作状态连续、统一。5)广东九江大桥。换索作业遵循下列四条原则:a.换索及调索过程中,以线型控制为主,索力控制为辅;b.换索期间对桥梁进行全面监控;c.换索期间限制交通量;d.换索后保证拉索安全系数均大于2。6)犍为斜拉桥。为了保证换索过程中不发生旧索断裂事故,并且使换索后主梁、主塔应力在规范规定限值内,对该桥进行多工况仿真计算分析,最终决定换索顺序为:单塔对称,全桥反对称同时进行。7)三达地怒江大桥。换索顺序采用由长索到短索依次进行更换,两岸上下游同时进行。换索施工中以索力控制为主,标高控制为辅。换索完成后,即对索力进行调整,以达到全桥索力优化的目的。

5 经验总结

通过对已有的换索实践经验的总结分析,可发现这些换索实践存在很多共同点,具体如下:1)在换索施工前期,对全桥进行病害检测,适当加固补强,提高全桥安全度。2)在换索过程中,对桥面标高、索力进行精确监控。3)尽量不改变结构的受力现状,适度调整索力和改善线形,以保持现有桥梁结构工作状态连续、统一。4)大多数在保证车辆正常运行的情况下进行换索工作。5)均采用当时最先进的技术,结合桥梁实况进行新索研究设计。

虽然从已有的换索实践经验中能获得很多值得学习推广的结论和方法,但已有的换索实践同时也暴露出很多严重的不足:

1)拉索承载能力评定经验化。2)对换索期间既有斜拉桥结构体系安全可靠性分析较少。3)换索顺序经验化。4)换索索力确定经验性。

可见,既有斜拉桥换索工程在确定换索顺序和换索索力方面的理论研究仍然处于起步阶段,大多凭借专家经验,缺乏理论依据。因而使既有斜拉桥结构体系在换索过程中存在安全隐患,即使既有结构安全完成换索作业,也无法保证既有结构在换索结束后能处于稳定、均衡的受力状态。鉴于此,本文建议将概率论、随机过程以及结构体系可靠性分析理论引入既有斜拉桥结构可靠性评估中,对换索过程中的既有结构体系进行安全评定,对换索索力的确定提供指导,从而为既有斜拉桥结构体系换索工程提供必要的理论依据。

[1]王文涛.斜拉桥换索工程[M].北京:人民交通出版社,2006.

[2]王文涛,梁奎基.国外大跨径斜拉桥使用状况综述[J].国外公路,1996(6):45-46.

[3]顾安邦,范立础.桥梁工程(下册)[M].北京:人民交通出版社,2005.

[4]唐 涛.斜拉桥结构体系使用安全性评估理论与方法研究[D].上海:同济大学土木工程学院博士学位论文,2006.

[5]彭旭民,党志杰.斜拉桥的损伤及预防措施[J].国外桥梁,1999(2):123-124.

[6]吴新元.斜拉桥钢桥塔索塔锚固区受力分析[J].山西建筑,2009,35(11):328-329.

[7]易胜涛.斜拉桥拉索防护的现状[J].重庆交通学院学报,2000(2):58-59.