悬索桥长吊索更换长度控制方法

悬索桥长吊索更换长度控制方法

作者：熊祖琨

安徽交控集团资源公司

摘要：近年来通车的悬索桥数量不断增加，吊索作为大跨度悬索桥结构中重要的承重构件，其寿命一般为30年到50年，加上一些不可预计的外界条件影响，悬索桥在其运营寿命周期中需要根据其病害发展情况适时采取更换措施。依托马鞍山长江大桥NY118—1吊索更换工程，通过施工前吊索长度确认、施工过程中的索长标定及索力监控、施工结束后的索长校核，三个主要环节进行控制，较好的完成施了本次吊索更换任务结合施工监控过程中对索长的控制，较好的控制了新吊索的长度。

关键词：悬索桥；长吊索；长度控制；应力松弛

一、桥梁概况

马鞍山长江公路大桥及接线项目于2008年12月28日正式开工建设，于2013年12月30日正式通车运营。左汊悬索桥全长2160m，为2*1080m三塔两跨悬索桥，主跨主缆矢跨比为1/9；钢箱梁两跨连续，采用流线型扁平钢箱梁，钢箱梁在中塔处采用非漂移结构体系，与中塔下横梁固结；中塔采用钢-混叠合塔，通过无粘结预应力钢绞线锚固。全桥共2根主缆，主缆采用预制平行钢丝索股，每根主缆由154股组成，每股由91根直径为5.2mm镀锌高强钢丝组成，钢丝标准抗拉强度不小于1770MPa。吊索采用预制平行钢丝束，钢丝束外挤包8.0mm厚双护层PE进行防护，PE内层为黑色，外层为LS101色。钢丝采用φ5.0mm镀锌高强钢丝，钢丝标准抗拉强度不小于1670MPa。吊索采用销接式，每个吊点均设置2根吊索，吊索上下端锚头均采用叉形热铸锚头，吊索采用销接式，全桥共528根。吊索结构见下图。

图一：吊索断面图及立面图

二、吊索更换方法选择

本次涉及更换的长吊索，位于马鞍山长江大桥北跨下游约1/4跨处，根据竣工文件查阅获取原监控指令吊索长度L为44425.8mm，索长标定张拉力为1000KN，原设计组合荷载下最大索力为1092.5kN，换索前，检测正常交通状况下吊索索力约980～1010kN。

长吊索更换一般采用多吊点起吊换索方法，多吊点起吊方案是根据吊索叉耳板承受能力、临时吊索索力大小适中、钢箱梁竖向线形逐渐变化等情况，经结构模型计算确定临时吊索位置及索力控制，确定吊点个数。吊索更换作业时，多吊点临时吊索同时施力，将钢箱梁逐渐提起，当更换吊索达到无应力状态、销轴松动时，即可进行吊索更换。弊端是临时吊点越多，安装临时吊索工作量越大，吊车长度控制与索力控制较繁琐，更换吊索费用越高。

更换的吊索达到无应力状态时，钢箱梁需提高100mm。基于换索工作不影响缆梁空间位置的理念，采用单吊点—顶推法更换，需要设计出新的工装来实现索力转换，利用工装反力架及顶推装置顶推旧吊索下锚端，退出销轴，将旧吊索索力分级转移至临时吊索上，拆除旧吊索；新索吊装后，利用工装反力架及顶推装置顶推新吊索下锚端，将临时吊索的索力逐级转移至新吊索上，装上销轴，完成吊索更换作业。基准温度为20℃，采用109根φ5.0mm镀锌高强钢丝，钢丝强度1670MPa，吊索形式为销接式，吊索上下端锚头均采用叉形热铸锚头，单个锚具长度的调节范围±20mm，该吊索结构示意图见下图表。

表一：NY118-1吊索主要信息

图二：吊索结构示意图

一、吊索长度控制思路

新吊索制作加工之前，根据马桥竣工图纸，对更换前吊索的索力、索长进行实测，并结合测量结果，确定新索准确索长，下达吊索索长制作加工监控指令，并对调索过程进行监测；最后，对更换后吊索索力及索长进行复测以验证长度控制结果。

二、更换前索长测量

由于本项目是在不中断交通的情况下更换吊索，车辆荷载对吊索索力影响较大，且更换吊索长度较大，桥面上不具备现场打盘转运返厂长度实测条件。采用钢卷尺或激光测距仪实测操作难度较大，为确保测量长度尽量准确，在长吊索更换前，专门制作了一种碗扣式钢丝测绳，以降低销轴中心测量误差和现场环境干扰；利用碗扣式测绳固定在NY118-1和NY118-2上销轴中心处，观察确认整跨桥面重载车辆较少时，利用拉力计对钢丝绳下端施加10kg的力，确保钢丝绳拉直无弯曲状态，观测在下锚杯顶端与钢丝绳齐平处进行标记，进行索长测量，复测三次取平均值并用钢卡扣进行固定标记。

将标记后钢丝绳取下带回分中心，在地面光滑的场地对钢丝绳一端固定，另一端张拉10kg的力，观测钢卡扣位置并在地面做好标记，两点即为索长长度；用张拉5kg力的钢皮尺去测量地面两点标记。测量方法采用换手复测三次，最后取平均值，测得钢丝绳长度44425mm。

三、原吊索索长实测误差理论分析

（一）设计理论伸长量计算

计算公式：△L=（F*L）/（E*A）

吊索设计索力：F=T36+F36=263.6+82.144=345.744/4=86.436t=864.36KN（恒载）

T36和F36依据马桥总体计算书吊点钢箱梁一、二期恒载分配计算分析所得

吊索设计长度（上下销轴中心间距）：L=44.425m

弹性模量：E=2.0×105Mpa

截面积：A=19.63*109根=2140mm2

锚头端伸长量：根据竣工图纸参数推导计算得出上下锚头EA=3198132kN，864.36kN受力作用下，上下锚头长度=L1+L2=1.85m，锚头端伸长量为Δl1=0.5mm

图七：吊索长度计算示意

钢丝伸长量有效长度L2=L-L1-L3=44.4258-1.85=42.575m

钢丝伸长量Δl2=（864.36kN×42.575m）/（2.0×105MPa×2140mm2）=86.0mm

钢丝松弛伸长量（按马桥吊索钢丝松弛率试验数据1.9%计算，最大松弛率不得大于2.5%）Δl3=86×0.019=1.63mm

总伸长量Δl=Δl1+Δl2+Δl3=0.5+86.0+1.63=88.13mm

每10KN吊索索力对应伸长量=88.13/864.36*10=1.02mm

（二）吊索长度控制方法论验证

由于本次吊索更换索长和索力测量无法同时进行，对应关系存在时间点的误差，所以以索力控制为主。通过碗扣式钢丝测绳测量索长，以索力动测仪测量索力的方式进行验证。NY118-1吊索更换前现场实测与原设计数据见下表。

表二：吊索更换前实测与原设计对比

由测量数据计算可知，NY118-1理论计算索力为1000KN+0.8mm/1.02mm*10KN=1007.84KN，考虑到测量误差，与实测索力较为接近，基本满足吊索线弹性变形条件，因此本次索长测量方法可作为吊索更换过程数据参考。依据原设计图纸、118-1/2#吊索现场实测索力数据、118-1/2#现场实测索长数据，确定标定索长为44425mm。

四、场内标定线弹性变化复核

为使新旧吊索使用状态一致，在NY118-1新吊索索长标定过程中，先张拉至1000KN，持荷满5分钟后，复测三次取平均值，使用测力传感器和高精度激光测距仪进行长度实测和温度修正，根据长度偏差，在张拉台上上下同步调整锚杯与叉耳螺纹间距，使新吊索长度与施工监控指令长度保持一致。标定后分级放张至300KN、200KN、100KN，测量数据详见下表，通过测量和理论计算结果显示，吊索索力和索长变化基本上符合线弹性变化。

表三：分级张拉数据表

同时，为了防止索体扭转对吊索长度和更换后吊索受力状态的偏差，长度标定时在新吊索索体上使用红色标记防扭转线。

五、吊索更换过程索长测量

现场对在吊索更换过程中，在吊索更换的施工过程中，对施工过程中的各个阶段的吊索索长进行测量，测量结果如下表所示：

表四：各状态索力索长测量结果统计表

由测量数据可知，完成更换后实际监测NY118-1索力为1007.9KN与理论值索力偏差在0.80%，表明更换索体系受力转换成功，索力分布均匀。吊索更换过程中118-2#索长基本维持恒定，表明换索过程中118-2#吊索索力基本维持恒定。118-1#吊索与标定索长差10mm，根据计算索力偏差值约为100kN。

六、结语

考虑到吊索更换是在交通维持的状况下进行，大跨度悬索桥结构刚度较低，车辆荷载对索长、索力以及桥面线型的影响较大，无法准确测出吊索索力、索长及桥面线型，无法同竣工验收时桥梁状态进行比对分析。此种索力测量方式也存在一定的误差，且误差范围未能准确计算，只能作为吊索更换过程中一种参考，对索长和索力变化关于大致上进行分析判断；今后的项目吊索更换工程可以以激光、测绳或者卷尺相结合的方式进行数据比对分析。