非洲地区悬索桥全吊索更换工程施工监控技术研究

◎胡立光 宝军 包刚刚 汤鹏勃 中交第二公路工程局有限公司

非洲地区部分国家因其独特的历史背景，早期桥梁多于二十世纪五六十年代由西方国家建造。时至今日，受限于欠发达的经济和技术水平，以提高旧桥结构的安全系数并维持适度的通行能力为目标的旧桥加固往往是当地政府优先考虑的选项之一。由于吊索系统的疲劳、锈蚀以及其他结构病害不仅限制了桥梁自身的运行功能，也为加固施工带来一定的风险，研究一套匹配吊索更换施工方案的施工监控方法并严格地在全吊索更换施工过程中贯彻执行，是确保吊索更换施工平稳进行的关键。

1.工程概况

1.1 项目背景

SAVE河旧悬索桥位于莫桑比克伊尼扬巴内省与索法拉省交界，是一座长870m（120m+210m×3+120m）的四塔五跨悬索桥，桥面宽度11.6m，布置2条宽3.6m的车道和2条宽1.85m的人行道。该桥由葡萄牙的埃德加·卡多佐教授在20世纪60年代设计，建造时间为1969年至1972年。该桥桥梁结构形式非常独特，其设计表现为一座由三角式吊索体系支承并带柔性混凝土梁的多跨悬索桥。

主缆的公称直径为190mm，吊索的公称直径为55mm，两者均由镀锌平行钢丝组成。全桥共328根吊索，吊索的上端通过索夹与主缆连接，下端交叉锚固在横梁上。

该桥是莫桑比克交通主动脉EN1国道上跨越SAVE河的唯一桥梁，其设计使用寿命50年，目前已经达到其设计运营年限，该桥体系实现了设计者最初的构想。在运营41年后，该桥发现了一系列病害，其中尤以吊索锈蚀最为突出。经过分析，出现上述情况的主要原因是长期重载交通的通行和维养的缺乏，也与建造年代所使用的材料、防护体系性能略低和计算手段有限等因素有关。

1.2 主要的病害特征

根据国内设计院2017年的现场检测结果以及葡萄牙Betar公司于2013～2014年对该桥进行检测所编制的检测报告，发现桥梁存在的主要病害包括：桥面线形起伏、不匀顺，主梁横向高差，索夹滑移、锈蚀，吊索疲劳及锈蚀，吊索索力不均，混凝土梁的破坏，纵梁支座及横向限位支座脱落、错位及失效，主缆等其他设施的病害等。

在上述病害中，桥面线形起伏、不匀顺，主梁横向高差、吊索疲劳及锈蚀（包含索夹滑移、锈蚀），吊索索力不均等是吊索更换所需要解决的主要问题。

吊索上锚固区主要病害为钢构件锈蚀、缠丝松动、索夹滑移等。下锚固区部分，原桥在吊索从外部进入主梁的交界面处易形成积水，且基本未进行防护，极易形成锈蚀，其中锈蚀严重的，已锈断2/3，随时有吊索断裂的风险。

由于吊索索夹的滑移及吊索的受力不均等原因导致桥面线形的变化。

2.吊索更换的设计与关键施工方案

本次加固更换对象为除两端刚性吊索外的全部吊索，共需更换328根。

2.1 新吊索的设计

新吊索采用现代较为先进且常用的吊索构造，设计由61根φ5mm平行钢丝吊索组成，强度1860MPa，钢丝外侧采用PE护套防腐。

2.2 吊索更换的关键施工方案

（1）施工平台及关键设施。吊索更换施工需要在主缆和桥面主梁下方进行施工，对应的施工平台分别为骑跨主缆的主缆行走平台以及支撑在桥面上的梁底行走小车。

吊索更换的关键设施是用来临时承接、转移桥面荷载的临时吊索系统，该系统主要包含一个由液压千斤顶构成的调节系统，上端为临时索夹及其组件，下端为型钢托梁，中间由精轧螺纹钢传力。临时吊索系统的位置分别在同一个索夹的两根吊索的桥面锚固点的正上方。

（2）全吊索更换流程。从整体上，吊索更换从桥梁一端的索塔向另一端的索塔施工。全桥共计4个索塔，呈南北布置，以每个主塔为中心共分为4个区，在每个区内的吊索更换施工均对称于主塔进行同步施工。全桥共计投入12套临时吊索，伴随着换索的进行，临时吊索的安装位置由主塔逐步向跨中方向移动。

（3）更换施工工艺。单次旧吊索更换施工的工艺流程为：设置临时吊索→拆除原吊索→滑移索夹位置调整→安装新吊索→新吊索锚固→锚管上端口防腐处理→下一处吊点换索施工。

3.全吊索更换施工监控的基本思路

3.1 施工监控的目的、必要性和原则

（1）施工监控的目的。本桥结构形式独特，每根吊索更换施工过程中结构体系将随施工阶段的不同而变化，结构将经历两次受力转换过程。施工过程中须对桥梁结构线形、应力及索力等指标进行监测控制，及时掌握结构实际状态，在必要时对施工步骤及控制条件做出调整，防止施工中的误差积累，保证吊索更换过程中的结构安全，确保吊索更换完成后桥面的线形和内力状态符合设计及规范要求。

（2）施工监控的必要性。一方面，由于本桥新吊索是通过事先精确计算，再由国内工厂制造后海运到场，最后通过严格控制安装误差来保证其最终无应力下料长度。施工中除采用垫片等方式进行调整外，可用的措施非常有限。因此，考虑到吊索造价高和海运周期长，在施工监控的基础上进行吊索的无应力长度计算是本工程中极为重要的环节。

另一方面，该桥涉及到桥面线形的调整，施工过程中随机因素较多，它们都可能对施工过程中的安全和桥面最终线形造成影响。施工中的实时监控，可以通过施工实际荷载情况和监测得到的结构状态，找出结构产生误差的原因，通过以后各阶段的各种可能的修正以使桥面最终状态尽可能地逼近理想线形并保证施工过程中结构的安全可靠。

（3）施工监控的基本依据。在进行该桥施工监控方法研究时，需要基于该桥自身的客观实际情况，进行科学合理的分析以完善监控方法的理论基础。

1）桥面线形目标调整值的确定原则。根据对既有旧桥资料的分析，在各跨跨中实测的规律性主梁上拱抬高很可能是在建造时即已形成。因此，本桥的线形调整目标应以目前桥梁起伏线形为基础，避免对已接近设计使用寿命的桥梁进行过大的扰动，同时又能使其每一跨的纵向线形达到匀顺。

根据实测线形和原设计理论线形的对比，将各索塔位置恢复至原设计理论高程，并和两侧桥台共同作为基准点。两个边跨主梁大部分实测高程在原设计理论高程下方，因此边跨的线形设定为直线连接桥台与相邻的桥塔主梁基准点；三个中跨保持目前的起伏线形，跨中桥面标高与索塔处主梁标高高差设定为20cm，以余弦曲线形式过渡[1]。

2）吊索无应力下料长度的确定原则。主缆的高程基本无法调整，但更换吊索的同时通过复位索夹可以使主缆回到初始受力状态。假定滑移吊索在复位前后的吊索索力不变，因而主缆线形也不发生变化。因此，首先在温度稳定且空载的情况下，实测主缆线形及桥面线形；再根据实测桥面线形，拟合出调整线形后的桥面目标线形；最后通过实测主缆线形、桥面目标线形及设计院提供的吊索索力，结合空间几何以及弹性公式即可计算对应实测温度下的吊索无应力状态下的下料长度。

考虑到现场的可操作性，该桥新吊索的无应力长度计算是通过将吊索弹性可伸长部分的无应力长度与吊索的构造长度（非弹性伸长部分）相加得出。

3.2 施工监控的基本方法、主要内容和过程控制

（1）施工监控的基本方法。通过设计院提供的计算索力、主缆线形及目标线形确定吊索下料长度，并在换索过程中监控吊索索力、主缆线形、桥面线形、索塔偏位及应力。

（2）施工监控的主要内容。根据本桥加固设计要求，在吊索更换施工过程中，对梁体、主缆、吊索、索塔等关键部位的应力、变形、内力进行监测，并对监测数据进行分析，指导施工控制[2]。

施工监控的监测内容如下：

1）变形：桥面线形、主缆线形、索塔变形；

2）应力：索塔控制截面处的应力；

3）索力：全桥吊索索力及相应的临时吊索索力；

4）温度：环境及结构温度。

（3）施工监控的过程控制。

1）为实现换索目标和结构安全，施工监控的工作内容要与吊索更换施工全过程高度匹配。

2）施工监控的过程控制要遵循科学流程，做好提前预测、过程中调整修正等工作，确保监控过程的闭环。

4.施工监控工作的开展

4.1 结构变形监控测点的布置和监测方法

（1）主缆测点布置。在主缆上每个索夹位置处设置固定反光标记，全桥共83对索夹，共166个测点，采用全站仪测量各点的三维坐标，据此计算主缆各控制点的三维变形情况。

表1 SAVE河悬索桥吊索更换施工监测工况和相应的监测内容

图1 施工监控的简要流程图

（2）索塔测点布置。在每个索塔塔顶上下游各设1个测点，全桥4个索塔，共8个测点，采用全站仪测量各点的三维坐标，据此计算索塔塔顶的三维变形情况。

（3）桥面线形测点布置。主梁桥面线形测量利用水准测量的方法观测桥面上已布设的桥面线形监测点，如图2所示，全桥桥面线形监测点共计168个。

图2 桥面线形测点布置示意图

4.2 结构应力的测点布置和监测方法

在每一座索塔的根部各布置6个应力监测点，全桥共4座桥塔，共计24个测点。每个测点处设置1个混凝土表面应变传感器，主要监测索塔在施工过程中的应力变化情况，再结合桥塔塔顶偏位，分析施工引起的索塔内力变化情况。

本次结构应力监测，拟采用振弦式表面应变计及配套的自动化采集仪。

对于主塔应力测点，采用混凝土式表面应变计，具体安装时，将测点附近混凝土表面打磨后，使用一段锚杆通过钻孔的方式将传感器的两个端块固定在混凝土表面，并在传感器外侧安装保护盒[3]。

4.3 吊索索力的监测

吊索索力是反映桥梁施工各阶段受力状态的重要指标之一，索力测试与分析是施工监测的重要内容。本桥吊索更换施工过程中需监测全桥328根吊索索力，采用振动法对新吊索索力进行测试。

振动法测试吊索索力的基本原理是采集吊索在环境随机振动激励下的振动信号，通过频谱分析得到其自振频率，根据弦振方程以及吊索的固有计算参数（索长、单位索长质量），计算分析索力。

5.结语

作为一座超龄悬索桥，莫桑比克SAVE河悬索桥的加固维修充满了风险和挑战。项目监控团队因桥施策，开展了一系列的换索施工监控方法研究，结合监控施工的总体目的和桥梁病害的实际，项目监控团队首先确立了科学合理的监控原则，通过对桥面线形调整目标值的确定和优化为施工监控打下基础；接着以桥面线形和吊索索力为主要监控对象，结合吊索更换施工工艺特点，在过程中落实对结构物安全状态的监控，不断总结经验，进一步完成了对吊索无应力下料长度计算的优化，实现了吊索更换的安全目标和施工目标，为同类型的超龄悬索桥全吊索更换施工的监控积累了宝贵经验。