索承桥快速换索技术发展现状与应用*

杨 超，徐一超

（1.在役长大桥梁安全与健康国家重点实验室，江苏 南京 211112；2.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 211112）

拉吊索是索承桥中的可更换构件，及时更换受损拉吊索对保障在役索承桥的安全至关重要。相关调查数据显示，现有换索工程中，拉吊索的平均使用寿命还不到20年。近年来，又有一批索承桥陆续地进行了换索，如抚顺天湖大桥、湖北郧县汉江大桥、衡山湘江大桥、铜陵长江公路大桥等，也呈现出一些特点和趋势。

1 技术发展现状

1.1 换索工程的技术方案设计及施工工序逐渐成熟

近年来的换索工程报道，基本上是以具体的桥梁为工程背景，提出针对性的施工技术方案。在方案设计中，多依靠有限元软件计算，保证施工过程中及换索后，斜拉索、主梁、桥塔等结构的变形、应力及强度验算通过。现有换索工程分为部分更换斜拉索和全部更换斜拉索两种，施工工序逐渐成熟，一般为旧索放张→旧索拆除→新索安装与张拉→索力调整。对称换索、优先损伤严重的斜拉索、优先长索等换索顺序的优先级考量逐渐成为工程界的共识，并已发展出同时更换多对索的技术方案。

1.2 不中断交通条件下快速更换拉索成为换索工程发展趋势

大多数换索工程需要中断交通，因此漫长的施工期会带来局部地区的交通问题。不中断交通条件下实现快速换索是今后换索工程的发展趋势。相应地，构件及设备的标准化、在交通荷载下换索方案的合理设计及交通限制措施的选择等都是亟待解决的问题。

重庆涪陵长江大桥建成后15年，斜拉索出现病害，需快速更换全桥斜拉索。为解决快速施工重难点问题，采取以下技术方案：换索施工前凿除原桥面铺装，中断交通；基于无应力状态控制法优化换索顺序，同时更换多根斜拉索；采用自制大行程大吨位链条快速牵引装备等先进机械设备。最终，全桥换索工期仅用112d，基本实现索力零调整，成桥状态的结构安全、状态受控，斜拉索索力偏差最终控制在5%以下。由此可见，快速换索技术有望在未来大范围普及。

最新研究也显示，在不中断交通条件下实现换索，对于城市干道或高速公路的咽喉性交通枢纽有着重大意义。其技术关键在于通过行车效应的影响性分析，以确定交通组织设计中的车速限制条件。该研究中，以某长大桥梁为背景，方案中采取半封闭交通施工，限速20km/h，并施工中采取施工前公示、分流等，在施工中派专职交通员疏导和控制交通，保证在不中断交通条件下斜拉索更换施工的顺利进行。

由此可见，在应对交通拥堵问题方面，不中断交通实现快速换索应运而生，未来也必将有广阔的应用前景。

2 技术发展趋势

目前，更换拉索，仅可依靠《公路斜拉桥设计细则》《大跨度斜拉桥平行钢丝斜拉索》等标准的部分条文，尚未形成成熟的标准或规范体系，在换索工程中，多次采用的施工工序、换索顺序等是否可成为标准仍有待考量。另外，换索多依据等强度原则或无应力长度相等的原则。施工前，通常需要对斜拉桥的斜拉索索力及主梁线形等指标进行精准测量，在换索工程实施过程中，对斜拉索索力、主梁线形进行实时监控，可保证结构安全及施工可靠。

但换索工程多发生在服役多年后的桥梁，考虑到材料随时间劣化、设计荷载的增加等不利因素，除斜拉索外，结构其余构件还存在损伤累积，与设计建桥时的索力值和结构内力状态不同，以换索前的桥梁状态为目标状态存在一定安全隐患。所以，换索方案如果仅是以新索代替旧索的简单做法，并不能对主梁线形、结构内力有较大助益，有必要在现有换索理念基础上，进一步合理优化索力，改善整体结构的内力状态，尽可能降低安全隐患发生的可能性。

更换下来的旧索往往除了腐蚀损伤部位力学性能下降严重，其余完整部分仍具有一定的承载能力，因此如何重新利用旧索，减少资源浪费，保证桥梁全寿命周期内的经济效益最大化也是工程界关注的重点。

20世纪以后建成的索承桥也将逐步经历换索，因此这些问题亟待深入研究与解决。目前，公路索承桥换索技术规程正在编制中，有望在不久后出台，为工程应用提供可靠指导。

3 工程应用

索承桥吊杆，尤其是长吊索的更换，涉及比较复杂的桥梁受力状况，需要对其工艺流程、方案等进行详细分析。研究通过数值模拟、模型试验和监测数据相结合的手段，开展了以下工作。

首先，在大桥跨中西侧43号短吊索进行了倾角测试，以便更好地分析跨中纵向位移的运行状况。监测采用倾角仪，采样频率为20Hz，最大转动2～3°。由于短吊索长度为2.16m，换算为大约10cm纵向位移。同时还可以观察到，纵向位移的运行周期在100s左右。纵向倾角变化图如图1所示。

其次，健康监测系统得到的跨中GPS纵向位移如图2所示，可以看出纵向位移量在10cm左右，最大可达12.5cm，周期为100s左右。由此可以得知，跨中短吊索位置由于主缆和主梁的纵向相对位移，存在2～3°的转动。

图1 纵向倾角变化图

图2 跨中箱梁GPS纵向位移变化

同时，通过数值模拟研究，建立全桥有限元模型，通过三吊点和五吊点的方案比较，确定了采用五吊点方案，如图3所示。

图3 五吊点方案

最后，为了控制临时吊索索力，保障梁端耳板结构安全，对吊索梁端锚固区域建立实体模型进行有限元计算，如图4所示。并制作1∶1实体模型进行强度试验，最终确定临时吊索张拉力不超过240t。

2018年4月27日，工作人员完成了对某长大桥梁下游19#吊索的更换。根据模拟计算情况，在封闭下游一个车道的情况下，下游19#吊索更换采用五吊点张拉提升释放19#吊索索力后拆除更换的方式。即分级同步张拉临时吊索至19#吊索拆除状态，拆除旧吊索、安装新吊索后，分级同步均匀卸载临时吊索，使新吊索参与受力。换索过程中，对临时吊索张拉力、张拉位移、近36根吊索索力进行监测，并与模拟计算情况进行对比，确保换索过程安全可控。

图4 梁端锚固区实体有限元模型

4 结论

综上所述，中断交通或部分中断交通的换索技术已经基本成熟，完全不中断交通的快速换索将成为未来发展的趋势，因此工作人员需要对其相关的标准化工序及设备、行车效应影响等做全面的考虑。在快速换索基础上，优化结构受力状态，实现旧索再利用，进一步推动索承桥的可持续发展。