(中铁大桥局,湖北,武汉,430000)
【摘 要】汕头海湾大桥于1995年12月28日建成通车,2014年全桥检测报告显示吊索总体状况较差,为保证桥梁结构运营安全同时最大程度地减小对交通的影响,需在不中断交通状态下对全桥吊索进行快速更换。吊索更换方式采用两种,对吊索长度L/2<15m且锚栓外露不小于5cm的短吊索采用接长螺杆法,对吊索长度L/2≥15m或锚栓上端外露小于5cm的长吊索采用反力梁法。
【关键词】悬索桥;吊索更换;不中断交通施工
1 前言
吊索是悬索桥的重要承重构件,长期承受静荷载和动荷载,加上交通量繁重、暴露在风雨和污染的空气环境中等多方面因素,吊索易产生索力不均和腐蚀破坏,从而影响结构安全,严重时需更换吊索。目前国内悬索桥全桥换索施工实例较少,可借鉴经验不多,换索过程具有受力体系转换复杂、索力精确控制难度高等特点,需根据特点制定换索方案、换索顺序、换索临时设施方案。本文依托汕头海湾大桥全桥吊索更换工程,介绍不中断交通状态下悬索桥换索施工技术。
2 工程概况
汕头海湾大桥全长2420米,包括正桥及南北侧引桥(见图1)。主桥为(154+452+154)m的预应力混凝土悬索桥,桥面宽23.8m,两端引桥均为4孔25m预应力混凝土T梁。主梁采用单箱三室预应力混凝土薄壁箱形结构。主塔高47.6m ,塔柱为D形截面。两根主缆长1029.6m,直径0.56m,采用PWS法编制。主桥共242个吊点,484根钢丝绳,钢丝绳以倒U方式骑挂在主缆索夹上,见吊索结构示意图2。
图 2 吊索结构示意图(单位:mm)
该桥是我国第一座现代大跨度悬索桥,大桥于1995年12月28日建成通车,依据2014年全桥检测结果,大桥总体情况比较稳定,但随着营运时间的增加,部分构件总体状况较差:吊索涂装层局部起皮脱落,吊索锈蚀;部分吊索索力不均;部分吊索锚板存在偏转、锈蚀;吊索锚杆防水罩开裂、破损。
3 换索施工重难点
(1)在不中断交通状态下更换吊索,索力的重分布是否会影响安全,这是施工前必须要验证的。
(2)全桥484根吊索更换施工作业量大,换索时间仅为3个月,确定合理的换索顺序和同步更换数量很关键。
(3)吊索更换时吊点附近局部受力变化相对较大,会对主梁受力产生一定影响,采用一种行之有效的临时设施最大限度地减少对既有梁体的破坏是施工重点之一。
(4)由于长、短吊索受力变形不等,锚栓螺母外露长度不同等原因,制造轻便、可靠的吊索更换装置也是该工程的关键之一。
(5)该桥建成已有二十年,主梁受力变形已经完成,主缆的延迟变形及应力分布也已经完成。现有的通车量及车辆荷载等条件远超初始设计的标准,通过前期的检测、测量发现目前该桥的梁体线型、主缆线型、吊索应力及长度等均与设计和竣工测量值有较大出入。如何在施工前、中、后过程中对主缆、梁体线形及索力进行有效控制,以保证更换完成后梁体线形顺畅,新吊索受力更加均匀合理也是一大难点。
4 解决措施
4.1 试验吊索更换
在吊索更换期间,桥面开通双向两车道,货车、大型客车禁止通行。为验证在桥面不完全封闭工况下吊索更换时主梁的应力变化及索力重分配的安全性,2013年对不同索长的4个吊点进行了试验吊索更换,试验的主要结果为:
桥面支撑桁架施加作用反力后,主梁作业吊点相对相邻吊杆上拱1.0mm,局部上下缘应力变化约-1.8MPa~1.8MPa,腹板内表面局部主拉应力约0.6MPa。
解除一根吊索钢丝绳后,主梁的相对变形与应力变化较小,索力有重分布,相邻吊索索力增大9%~19%(增大均值13%);作业吊杆处的余下一根吊索索力增大43%~65%(增大均值53%),其安全储备是足够的。索力测试结果见表1,未拆除吊索索力安全系数见表2。
4.2 更换顺序
整体施工考虑两个循环完成(见图3),即先更换①区域按照箭头所示方向进行吊索更换,吊索更换完毕后再更换②区域按箭头所示方向对剩余吊索进行更换,
全桥吊索更换布置8个施工作业点。南、北边跨上、下游侧各布置1个施工点(共计4处),中跨布置4个施工点,8个施工作业点同时进行吊索更换施工。被更换吊索,在上、下游侧纵桥向断面间距为18m(三个节段)以上,禁止在对同一断面上、下游同时更换吊索。
4.3 临时设施
支撑桁架是为减少吊索更换过程中混凝土梁体应力变化,更换吊索前在桥面设置的临时设施(见图4)。支撑桁架中线长度1200cm,桁架中心高200cm,共布置7个节间。桁架横向布置2片,中线间距40cm,在端部设置横向支撑,保证桁架横向稳定。桁架上下弦杆、竖杆、斜腹杆截面均为2×[22,节点板与连接钢板厚度均为16mm。钢材材质均为Q345,桁架杆件均采用M20螺栓连接。
吊杆采用φ32精轧螺纹钢筋,抗拉设计强度fpd=770MPa,每根吊杆长度约400cm,并配套锚固螺母。吊杆设置于横向两片桁架之间,共2根,每根吊杆处设置1台50t千斤顶。
4.4 吊索更换装置
吊索更换采用两种装置施工,分别为接长螺杆和反力梁(见图5、图6)。
图 5 接长螺杆装置示意图
图 6 反力梁装置示意图
对吊索长度L/2<15m且锚栓外露不小于5cm的短吊索采用接长螺杆法。接长螺杆法需要的空间较反力梁法小,并具有安装方便,操作简单等优点,但不能适应长吊索变形需求,同时锚栓丝杆外露长度必须满足连接要求。
对吊索长度L/2≥15m或锚栓上端外露小于5cm的长吊索采用反力梁法。此法需有一定的安装空间,能适应因吊索索力减小(吊索变短)而导致锚板向上移动的需要。
4.5 主缆、主梁线形及索力控制
换索施工中,主缆与梁体之间的相对变形,主梁关键部位的局部应力,各阶段吊索索力等数据直接关系到结构安全,需与监控方密切配合,及时掌握结构实际状态,对后续施工形成指导意见,确保桥梁施工过程的安全,并使成桥线形与结构内力状态满足设计要求。
主缆、主梁线形数据采用全站仪测量,主缆线形的测点布置在边跨1/2处和中跨的1/4、1/2、3/4处,全桥共布置5个测试断面10个主缆线形测点。主梁线形通过测量不同工况下吊索吊点中心位置的断面主梁高程来控制。测量工况包括前期结构状况调查、旧吊索拆除前、新吊索张拉后、全桥吊索更换施工完成后。
吊索索力监测主要分为原吊索的索力测试和新安装吊索的索力测试, 原吊索索力测试,采用张拉法,即在吊杆锚固张拉端进行张拉,通过锚固张拉端吊杆索松动时精密油压表上压力的大小来确定吊杆当前工作状态下的索力值。新安装吊索的索力测试采用频率法。选择一部分吊索在梁上锚固端布置锚索计,直接得到施工过程及后期运营阶段的索力。对未布置锚索计的吊索可首先通过张拉千斤顶读数得到初始索力,然后通过已布置锚索计的吊索索力变化量来推算未布置锚索计的吊索索力变化量,从而得到未布置锚索计的吊索索力。
5 悬索桥换索施工
5.1安装支撑桁架
吊索更换前,桥面设置支撑桁架,其支点设置在被更换吊索相邻两侧的主横梁端部,利用原主梁施工吊点在钢桁架中间部位设置2根吊杆,将梁体预起吊300KN,释放部分索力后更换吊索钢丝绳。
在桥面上更换吊索施工的起始位置安装支撑桁架,使用汽车吊机将从钢结构工厂加工、组拼好运抵现场的支撑桁架在现场指定位置安装。将支撑桁架的中央节段对准原主梁施工临时吊点位置。从支撑桁架上方向下穿入精轧螺纹钢筋吊杆,使其能顺利通过原主梁施工临时吊点。支撑桁架在现场安装完成后进行预压,以消除拼装缝隙,让桁架提前进入工作状态。
5.2 吊索更换
吊索更换内容主要包括锚固螺母卸载、旧索拆除、新索安装及新索张拉。
(1)接长螺杆法:此法通过千斤顶顶升上、下支撑构造,将原结构锚固螺母内力转移至新增锚固螺母。
使用接长螺杆法按照下列步骤操作:①安装张拉设备;②起顶千斤顶,按照100t控制拉力分级加载;③卸载锚固螺母。在千斤顶逐级加载的过程中,锚栓上锚固螺母的锚固力逐渐减小为零,锚固螺母开始和锚板分离,此时加载持荷,记录千斤顶张拉力,此张拉力作为安装新吊索时的目标拉力值;④继续加载至可以旋动锚固螺母,千斤顶回油,将旧吊索索力放松为0;⑤依次拆除临时锚固螺母、千斤顶、接长螺杆、支撑架、支撑筒;⑥解开吊索锚头,卸下锚板,拆除旧吊索;⑦取下旧锚栓。使用手拉葫芦提起锚栓,拆除固定卡环、下放锚栓;⑧安装新锚栓、新吊索、锚板,连接锚头;⑨依次安装接长螺杆体系;⑩新索张拉。
(2)反力梁法:此法通过千斤顶顶压上反力梁与原锚板顶面的支撑筒,将原吊索锚栓螺母的锚固力转换至反力梁。
使用反力梁法卸载原锚固螺母的操作步骤:①安装张拉设备;②安装上下反力梁。按照先安装上反力梁、后吊杆,最后下反力梁的顺序,将反力梁体系就位;③原锚固螺母卸载,旋松锚固螺母;④卸除吊索索力;⑤依次拆除锚固螺母、上反力梁、吊杆、下反力梁;⑥ 解开吊索锚头,卸下锚板,拆除旧吊索;⑦取下旧锚栓,安装新锚栓;⑧安装新吊索、锚板,连接锚头;⑨依次安装反力梁体系;⑩新索张拉。
5.3 吊索索力调整
在全部吊索更换完毕后,对同吊点大、小里程侧吊索索力差超过20%的吊索进行索力调整。索力调整遵循以下原则:①保持每个吊点的总索力前、后一致;②保持每个吊点的两根钢丝绳索力均匀;③单独对一个吊点进行索力调整时,采用接长螺杆法对两根钢丝绳同时实施。
5.4 新吊索防腐
涂装体系采用“三胶两布”形式,三道密封剂+两层高强玻璃纤维布+氟碳面漆。吊索系统所有结构缝隙采用聚硫密封剂进行密封,主要包括:索夹槽缝、夹具缝隙、锥体铸块、锚头缝隙部分。在将新吊索安装前,先对锚头表面清洁后涂刷磷化底漆一道,锚板空腔预涂密封剂。悬索桥吊索钢丝绳常出现渗水,并在锚头根部形成积水,由此造成底部钢丝绳锈蚀,为了解决吊索锚头无雨水及湿气等腐蚀介质进入问题,采用根部硫化及在锚头设置排水槽两种措施,保证吊索寿命安全,顶部设置橡胶防水罩防水渗入锚板内。
6 结 语
本次换索施工是汕头海湾大桥建成以来第一次全桥吊索更换,在桥面未完全封闭状态下,通过优化方案以及严密组织施工,单天换索平均达到8根,仅用了不到3个月的时间,圆满完成了全桥484根吊索的更换工作,为业主方妥善安排春运交通节省了大量时间。吊索更换过程中主缆、主梁的内力与几何外形数据均与目标值相符,全桥结构安全、状态可控,吊索索力偏差符合要求。
参考文献:
[1]汕头海湾大桥全桥吊索更换施工设计文件[R].中铁大桥勘测设计院集团有限公司,2015
[2]王江鸿等.汕头海湾大桥试验吊索更换工程施工和监控[J].公路与汽运,2015(6)
[3]JT/T449-2001,公路悬索桥吊索[S].
论文作者:徐滢,陈志敏
论文发表刊物:《工程建设标准化》2016年2月供稿
论文发表时间:2016/5/25
标签:吊索论文; 桁架论文; 锚固论文; 吊杆论文; 螺母论文; 悬索桥论文; 螺杆论文; 《工程建设标准化》2016年2月供稿论文;