非洲多跨悬索桥吊索更换后的桥面线形优化控制

李大龙 李敬德

摘 要：莫桑比克SAVE河旧桥是一座长870 m（120 m+210 m×3+120 m）的四塔五跨悬索桥，已临近50年的设计使用寿命，产生了吊索系统疲劳和混凝土梁损坏等问题，同时桥体本身缺乏维修、车辆超载以及重载车辆不断增加使得在修复过程中更换吊索时发生了旧吊索索力失效、主塔横向支座错位等问题，线形难以控制。本文以该桥梁的修复为例，通过现场检测发现桥面线形有起伏、不匀顺、呈波浪状的现象，采取考虑操作平台自重进行计算、精确吊索下料长度和严控索夹滑移的措施，从而达到桥面线形的优化控制。

关键词：多跨悬索桥;吊索更换;线形优化控制;索夹

0 概述

非洲大多数现有基础设施较为陈旧，甚至为殖民时期所建造，由于历史原因，导致年久失修，维护不到位，致使一些桥梁超负荷或者带病运转，出现各种质量问题，亟待得到解决。

莫桑比克SAVE河桥由埃德加·卡多佐教授在20世纪60年代设计，建造时间尚处在葡萄牙殖民统治时期的1969年至1972年。它位于莫桑比克伊尼扬巴内省与索法拉省交界，是一座长870 m（120 m+210 m×3+120 m）的四塔五跨悬索桥，如图1所示，桥面宽度11.6 m，布置2条宽3.6 m的车道和2条宽1.85 m的人行道。该桥桥梁结构形式非常独特，其设计目的是表现由三角式吊索体系支承的、带柔性混凝土梁的多跨悬索桥潜力。

SAVE河旧桥位于莫桑比克南北唯一的交通要道EN1国道的咽喉部位，多年来一直承担着该国南北交通运输的重要责任。该桥设计使用寿命50年，目前已经使用了49年，其体系实现了设计者最初的构想，但近些年该桥出现了吊索系统疲劳和混凝土梁损坏等问题。这些问题的产生在某种程度上应归咎于缺乏维修和近年来重载车辆数量的惊人增长。

SAVE河旧桥主缆的公称直径为190 mm，由镀锌平行钢丝组成。吊索的公称直径为55 mm，由镀锌平行钢丝组成，通过索夹与主缆连接，交叉锚固在横梁上。全桥共328根吊索，吊索在主梁上的锚固距离为10 m。为提高桥梁的整体刚度及抑制风振，全桥设置了斜向吊索，并在主梁内安装有2道纵向刚性索钢束。

通过现场检测发现桥面线形有起伏、不匀顺、呈波浪状的现象。具体表现有：（1）跨中上拱在主塔处下沉，并存在主塔处横向支座发生竖向错位的情况;（2）前后相邻伸缩缝处测点高程出现突变，桥面线形不平顺;（3）由于主梁横向扭转及以往换索时未注意标高索力的调整等原因造成目前吊索受力不均匀，桥面线形呈波浪状;（4）索夹滑移导致吊索受力不均;（5）吊索疲劳锈蚀导致部分索力失效。目前桥面线形呈起伏状，横桥向高差较大，根据此状况，本项目拟通过恢复索夹位置，控制吊索长度的方法将悬索桥的空间线形调整匀顺。主梁桥面线形测量采用全站仪观测桥面上已布设的桥面线形监测点，监测点位置与设计院检测测点的位置一致，如下图2所示，全桥共84对吊点，桥面线形监测点共计168个。

本文以SAVE河旧桥为例，阐述在非洲面对类似基础设施维修项目时，所采取的相关措施，进而制定出优化控制方案。

1 线形控制要因分析

在吊索更换进行桥面线形控制时发现桥面纵向线形有超过60 cm的高差，而横桥向高差最值超过15 cm，通过对线形控制的要因进行分析发现操作平台自重的影响、吊索下料计算长度存在误差和索夹自身滑移是导致线形控制无法达到预计标高的三个主要因素。

1.1 操作平台自重对线形产生的影响

主塔上下游两根主缆在大小里程方向共四个部分，主缆操作平台架设完成并前进时，这四部分的主缆都产生了不同程度的高差变化，这说明操作平台的自重使得主缆标高发生变化，且在平台移动后并未完全回弹，故在计算时需要提前考虑。

1.2 吊索下料长度计算不精确

索夹至上锚头的距离以及穿过桥面板的吊索管道的长度及角度并非为预设的定值，存在较大的差异，需要在计算时重新考虑。

1.3 索夹自身滑移

悬索桥在50年前主缆布线准确度不高，部分位置主缆截面呈现鼻形而非圆形，这导致索夹无法完全与主缆贴合，弱化索夹自身的摩擦力以导致滑移。同时现场仅使用大型扳手紧固螺杆，对于紧固力无法准确掌控。

2 线形优化控制措施

针对线形控制要因的分析，通过以下措施使得线形控制得到优化。

2.1 考虑施工平台自重重新测算主缆下沉及回弹值

测算索夹位置时，将施工平台的自重所影响的主缆下沉进行测算。同时考虑到主缆年代久远，主塔上下游两根主缆在大小里程方向四个部分的受力和形变特性已产生明显差别，在考虑主缆受力下沉时在适宜环境下对四部分主缆上的索夹需分别进行测算并重新计算主缆下沉和回弹数值，以修正索夹的实际位置坐标，达到精确计算的目的。

2.2 精确吊索下料长度

假定修正后的索夹空间坐标为 X1，Y1，Z1;

预设吊索与桥面板接触点坐标为X2，Y2，Z2;

故，应力状态下此部分吊索长度为：

L1=;

故，吊索弹性变形部分的长度为L2=L1-l4-l3+l1。

已知吊索弹性模量为196 500，吊索截面积为1 197.73，以及每根吊索的设计索力;

故，吊索弹性部分的无应力长度为L3=。

由L3即可进一步计算出施工现场半成品吊索的最终下料长度。

l1代表索套管由下锚头端部到桥面板的距离，l2代表下锚头长度，l3代表上锚头长度，l4代表主缆中心到索夹上丝口的距离。

旧吊索拆除完成以后，试装上锚头，并核查锚头距离l4;

拆除完成管道内的旧吊索以后，测量吊索套管长度l1，以修正最终的计算结果。经测量全桥每根吊索的l1及l4均有变化，修正数值以后可优化最终桥面标高。

2.3 增强旧索夹的抗滑能力

利用旧吊索钢丝填充鼻形主缆的断面空隙，以保证主缆形成圆形，与旧索夹尽可能贴切。旧索夹上的紧固螺栓不能拧得太紧，否则荷载作用后会出现提前屈服的情况，也不能拧得太松，否则作用力不满足抗滑要求則会出现滑移。设计给出的8.8级螺栓紧固力为屈服力的70%，即220 kN。通过扭力扳手试验得出结论，在螺栓加垫片及黄油以消除材料自身摩擦力后，当扭力扳手达到850NM时，螺栓受力为220 kN左右。通过以上措施保证了旧索夹上更换的新螺栓可达到适当的紧固力，以保证旧索夹不出现滑移。

3 线形优化控制结果及分析

通过对线形控制要因：操作平台自重的影响、吊索下料计算长度存在误差和索夹自身滑移的分析，采取考虑施工平台自重重新测算主缆下沉及回弹值、精确吊索下料长度以及增强旧索夹的抗滑能力，使得桥面标高达标率得到显著提高，标高偏差在桥面标高各监测点位与预设标高的差值小于2 cm;各个梁段上下游桥面标高的横向差值小于2 cm;达标率从70%提高到了92%。同时SAVE河旧桥吊索更换后桥面标高一次性达标，大大节约了再次提升下放，增减垫板的施工时间及工程风险，节约项目工期及成本。

SAVE河旧桥临近设计使用寿命，在使用过程中缺乏维修养护，且作为该国南北唯一通道，重载车流量不断增加，桥体、主缆及吊索损害严重，部分吊索在端头腐蚀非常严重。因此在进行施工时施工方案考虑实际情况，对主缆变形、索夹滑移及其他因素进行重新测算和考虑，以保证线形得以优化控制。

4 结论

（1）在吊索更换过程中应考虑施工平台自重的影响，同时针对主缆性能的变化进行拆分测量计算;

（2）在进行吊索下料长度计算时，对于部分吊索管道应分别进行计算，不能采用预设值以减小误差;

（3）在吊索更换过程中应提高索夹抗滑能力，控制索夹滑移，以优化线形控制。

参考文献：

[1]南部区域非洲桥梁道路施工技术规范[S].1998.9.

[2]中华人民共和国交通部.JT/T449-2001，公路悬索桥吊索[S].

[3]交通部公路科学研究所.JT/GF1-2004，公路工程质量检验评定标准[S].