涪陵长江大桥换索设计

田　波, 梁　健

(四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院， 四川成都 610041)



涪陵长江大桥换索设计

田波, 梁健

(四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院， 四川成都 610041)

【摘要】重庆市涪陵长江大桥，主跨采用330的双塔双索面桥。大桥建成通车已15年，全桥的斜拉索病害问题较为突出，对大桥的安全性造成了严重影响。为保证大桥结构和运营安全，提高桥梁的耐久性能，对全桥斜拉索进行了更换。文中主要介绍该桥换索涉及的相关设计内容及其技术特点。

【关键词】斜拉桥；换索；设计

1工程概况

重庆市涪陵长江大桥于1994年11月动工兴建，1997年5月正式通车运营。桥梁全长652.17 m，共4跨，跨径组合20 m北岸引桥+(149+330+149) m主桥；桥面净宽18 m(净15 m+2×1.5 m人行道)。主桥为5跨双塔双索面斜拉桥，采用塔梁分离式悬浮体系(图1)。斜拉索采用高强低松弛φ7镀锌钢丝，标准强度1 600 MPa，共8种规格。斜拉索均采用钢丝现场制作，热挤PE防护，冷铸墩头锚。

图1　主桥总体布置

2主桥状态

2.1桥梁结构线形

主塔变位：主塔塔顶间距从1997年竣工至2009年累计变化量为4.7 cm，向河侧倾斜。

主梁挠度：竣工时，主梁跨中设置了0.33 m的预拱度。从1997年通车至2009年，跨中累计下挠了0.36 m,其中1997年～2003年累计下挠了0.32 m,从2003年～2009年累计下挠了0.04 m。

可以判定索塔、主梁由于收缩、徐变产生的变位及下挠已基本完成，目前主梁标高已基本稳定。

2.2拉索索力

2009年索力实测值与1997年成桥测试值相比，偏差范围在-22.3 %～33.5 %之间:有5根索的索力测试值偏差超过±8 %，占总数的2.36 %；有17根索的索力测试值偏差超过±5 %，占总数的8.02 %；其余索的索力值偏差在±5 %以内，占总数的89.6 %。

与1997年成桥相比，整体索力值的变化不很明显，索力变化主要由于混凝土结构收缩徐变造成，属于正常现象。但长寿侧中跨上游6号和7号索力，涪陵侧边跨上游17号、18号、20号索力均超出1997年成桥测试索力值±10 %以上，最大值达到-22.3 %及33.5 %,索力较为异常。

2.3斜拉索PE护套及钢丝

从全桥PE护套检测统计结果可以看出，全桥共212根斜拉索，有154根斜拉索存在PE护套病害，病害率73 %。其中存在较为严重的病害斜拉索61根，严重病害率29 %。

从全桥抽查的36处拉索开索统计结果可以看出，斜拉索钢丝的整体锈蚀情况处于轻微锈蚀至中度锈蚀(图2)。全桥共开索抽查33根索36处，有7处开索后钢丝无锈蚀，占19.4 %；有8处开索后钢丝处于轻微锈蚀，占22.2 %；有18处开索后钢丝处于一般锈蚀，占50 %，有3处开索后钢丝处于中度锈蚀，占8.3 %；钢丝存在锈蚀的比例总的为80.6 %(表1)。

图2　斜拉索钢丝锈蚀分级

抽查33根拉索开索36处无锈蚀(Ⅰ类)轻微锈蚀(Ⅱ类)一般锈蚀(Ⅲ、Ⅳ类)中度锈蚀(Ⅴ类)7处8处18处3处比例19.4%22.2%50%8.3%

2.4主梁及索塔状态

主梁整体状况较好，无结构受力裂缝。斜拉索主梁锚固齿板，有14处出现锚固受力裂缝。主塔的总体现状较好，未发现结构受力裂缝。

2.5原因分析

(1)施工原因：全桥的斜拉索在历史背景下均采用现场制作。现场制作的斜拉索较工厂制作的成品索在制作工艺存在较大局限性，造成质量上较难控制，导致斜拉索PE护套出现质量缺陷，如PE融化不完全、不密实、有蜂窝、鼓包、接头缩径等。虽然多数缺陷已做了处理，但仅限于表面处理，在这些缺陷处还是极易出现开裂、破损等病害。从现场检查结果看，多数开裂、破损处有质量缺陷，有维修处理过的痕迹。挂索施工时未对斜拉索进行足够的防护，导致斜拉索安装时产生大量划痕，在划痕严重处易出现开裂、破损等病害。

(2)养护原因：由于斜拉索攀爬困难，日常检查和养护维修无法实施，对斜拉索病害无法提前预防，对已经出现的病害也无法及时进行维修处理，导致病害的发生和发展。

(3)环境因素：本桥已运营14年之久，斜拉索PE护套在紫外线的照射、风霜雨雪的侵蚀下，PE会逐渐发生老化现象，在缺陷或薄弱处易发生病害。

(4)荷载作用：随着经济的增长，车流量和重车比例均飞速增长，在反复荷载作用下也会加速病害的发生和发展。

(5)其它原因：主要是由于以往维修时对病害的修补质量不好，导致新修补处重新出现病害或原病害重新暴露。

3换索总体目标

(1)换索后大桥仍保持原设计的技术标准。

(2)换索方案针对性强，安全可靠，过程中会减小对原结构的损伤。

(3)重视方案的可施工性，细化工艺流程，确保加固质量。

(4)换索设计重视拉索耐久性能。

4换索设计

4.1换索工序设计

全桥斜拉索及其锚固构造的全部更换。换索工况为6#～15#一次更换2对(4根)斜拉索，其余拉索一次更换1对(2根)斜拉索。

(1)在桥塔的下横梁与主梁间设置临时支座。

(2)换索的程序：由双塔同时反对称进行，由内索开始逐索更换直至外索，最后更换垂直吊索；换索顺序为：(长寿侧中跨上游i#索、长寿侧边跨上游i#索)同时拆除更换→(长寿侧中跨下游i#索、长寿侧边跨下游i#索)同时拆除更换→(涪陵侧中跨上游i#索、涪陵侧边跨上游i#索)同时拆除更换→(涪陵侧中跨下游i#索、涪陵侧边跨下游i#索)同时拆除更换。当全桥i#索更换完成后，再按上述顺序重复更换(i+1)#拉索。每次更换同一塔侧相同索号的两根斜拉索，其中，6#～15#索同一索塔的4根同索号可一次更换斜拉索。拉索编号见图3。

(3)同一索号的斜拉索每次于塔柱上游侧更换两束然后再更换下游侧两束，更换完成以后，再更换另一塔柱，交替进行，直至该索号全部束均更换完毕后，再进行下一索号的更换。

(4)在更换斜拉索时，每索均按设计给定的索力进行张拉锚定，待同一索号斜拉索全部束均更换完毕后，全部的束再同时张拉进行索力调整，使其达到给定的索力；没有特殊情况该索不再进行二次张拉调索。

(5)同一索号的斜拉索全部更换完毕后，除进行索力影响面的测试外，还应该进行临近点桥面的高程测量，根据测试数据，决定是否调整索力。

图3　拉索编号示意图

4.2卸索工艺

(1)利用反力架、连接器张拉螺杆、接力螺帽、拉伸机，按新计算索力为依据，双塔反对称、单塔双向对称同时进行拉索分级松张。卸索以变形为主控制索力变化，每次1～5 cm同步放松。放松时密切注意两侧松张的索力，变形保持同步，以保证索塔两侧不产生偏载，受力平衡。

(2)利用千斤顶行程及引出杆螺母逐步放索，待拉索无应力时(一般不高于1 MPa)，再用塔柱上卷扬机滑车卡紧拉索，先卸下千斤顶反力架、引出杆，再利用卷扬机将索徐徐放下。考虑到原索压浆后刚度大，不易弯折，则宜在桥面上设卷扬机动力牵引，引导放下，同时固定下索端，然后在下锚管出口处用气割逐丝割断旧索，分别卸下运出现场。

4.3新索安装工艺

(1)张拉时，按顺序先放锚杯大螺帽，再放大垫板，其次是大螺帽，反力架，千斤顶，大螺帽。油泵开动少许供油，千斤顶张拉缸保持适量的油压后(约1 MPa)，调整千斤顶反力架，使之与锚管在同一轴线上。

(2)张拉采用张拉力与伸长值双控，分级张拉，持荷5 min。其目的是为了使双向千斤顶张拉力均衡进行，避免索塔单向受力过大。待同一索号斜拉索双塔反对称、单塔双向对称同时进行张拉达到给定的索力后(设计控制应力)，没有特殊情况，该索不再张拉。

(3)桥面高程测量应在卸索前、卸索后、张拉后分3次进行，测点主要是斜拉索在主梁锚固处和桥的跨中，以密切注意桥面高程变化。施工完成后，对以前完成的索的标高重新复测，为换索的全过程提供验证依据。

(4)对拉索张拉值的量测方法，以施工中标定配套的油压表控制张力，配以传感器作为自检手段，同时按计算及检测结果为依据调整指令，完善最终的张拉控制作为自检手段。

4.4拉索设计

本桥更换采用的斜拉索均采用两端已装好锚具的成品拉索。受梁体及索塔内预埋管道尺寸的限制，更换斜拉索仍采用热挤聚乙烯高强钢丝拉索。

钢丝采用桥梁缆索用镀锌钢丝，钢丝直径7 mm，直径允许偏差±0.07 mm，不圆度≤0.07 mm，钢丝抗拉强度≥1 770 MPa，弹性模量(2.0±0.1)×105MPa。聚乙烯护套采用黑色和彩色高度双层护套料，护套料在直接承受大气环境因素的作用下，应具有较好的抗老化寿命。拉索外表面应设置螺旋线等抗风雨振构造。冷铸锚锚杯和锚圈选用优质碳素结构钢或合金结构钢。胚件应为锻件，经调质热处理，外表面镀锌。

为提高拉索的耐久性，斜拉索锚固端应增加不锈钢防护罩，提高拉索长期使用的防护能力。主梁和索塔拉索套管内填充聚氨酯发泡材料，以阻止水份的进入。梁上拉索套管出口处采用不锈钢防护罩，加强该部位的防护效果。为避免接近桥面2.5 m范围内的拉索被人为损坏，对此高度内的拉索表面包裹不小于1.0 mm厚的不锈钢管。在主梁及索塔斜拉索导管出口端安装阻尼减震器。

5换索计算分析

5.1计算分析总体目标

(1)按照换索计算和索力优化兼顾原则。

(2)保证换索施工过程桥梁结构安全。

(3)通过对张拉索力的优化，改善桥梁运营期间的应力状况。

(4)在换索过程和换索完成后主梁和主塔不产生过大的位移变化。

5.2计算分析阶段划分

调整偏差值较大索力→去除旧的桥面铺装→在索塔横梁处对主梁施加1 000 kN的顶升力(每肋500 kN)→在索塔横梁处对主梁设置临时支承→由近及远(距索塔)依次换索→更换栏杆、铺装新的桥面铺装。

换索过程中，新索的控制张拉力兼顾三方面：一是一次张拉到位，换索完成不需再调索；二是换索过程中主梁的应力控制在合理的范围之内；三是换索完成后主梁的应力(运营阶段最不利组合)、位移及索塔的位移控制在合理的范围之内。

5.3主要计算成果

5.3.1索力值

更换拉索过程中，拉索索力主要由其两侧3对索承担，两侧5对索之外的拉索索力基本无变化。本次换索调索索力值为原设计索力的81 %～119 %，调索索力值为换索前实测索力的80 %～119 %。安全系数见表2。

表2　斜拉索的安全系数

5.3.2主梁应力

拉索在拆除时，主梁上缘压应力增大，下缘拉应力增大，随着离更换拉索处距离的增大，上下缘应力变化幅度逐渐减小，其影响范围主要局限在拉索两侧3个节段(即18 m)之内。张拉新拉索后，梁上应力水平基本能恢复到换索之前的状态。成桥状态与运营阶段的主梁应力见表3、表4。

5.3.3主梁及索塔变位

主梁及索塔位移计算结果见表5、表6。

6主要技术特点

(1)根据项目桥梁实际状态，制定换索设计方案，针对性强，可实施性好。通过换索设计提高了桥梁的安全性和耐久性。

表3　成桥状态主梁应力　MPa

表4　运营阶段主梁应力　MPa

*注：受压为正值，受拉为负值

表5　主梁位移

表6　主塔位移

(2)换索计算分析，索力优化与主梁应力控制、塔梁变位兼顾的原则，保证换索过程桥梁结构的安全可靠，同时优化了换索工序。

(3)换索过程根据计算分析的结果，采用6#～15#一次更换2对(4根)斜拉索，其余拉索一次更换1对(2根)斜拉索的方式，提高了施工效率。

(4)为提高拉索的耐久性，从材料、结构细节构造、工艺进行了细化设计，提高了拉索的耐久性。

7结束语

本项目于2012年6月开工，2012年12月完成。是目前长江上第一座完成全面斜拉索更换的大型桥梁，可为同类桥型的换索实施提供了参考和借鉴。

参考文献

[1]JTG/T D65-01-2007 公路斜拉桥设计细则[S].

[2]四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院.涪陵长江大桥技术改造施工图设计文件[R]. 2012.

[3]王文涛. 斜拉桥换索工程[M]. 2版. 北京:人民交通出版社, 2006.

[作者简介]田波(1974～)，男，工程硕士，高级工程师，从事桥梁工程设计及研究工作。

【中图分类号】U445.7+4

【文献标志码】B

[定稿日期]2015-11-02