斜拉橋換索準則探討與研究
2018-04-23
1 引言
斜拉橋經(jīng)多年運營后，一般均需要進行斜拉索更換或索力調(diào)整工作，以維持其設計使用功能。目前，國內(nèi)斜拉索更換主要有兩方面原因。一方面，一些斜拉索嚴重銹蝕，在橋梁運營過程中出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，嚴重危及橋梁的使用功能，所以必須進行拉索更換，這是“剛性需求”。例如，1979年2月委內(nèi)瑞拉馬拉開波橋有一根拉索由于腐蝕突然斷裂，當局采取了緊急修復措施，更換了拉索，避免了可能發(fā)生的嚴重后果[2]。另一方面，一些業(yè)主單位傾向于將一些市政工程的維修加固時間點提前，即將本可以繼續(xù)使用的市政結(jié)構(gòu)納入維修加固項目中去。這樣雖然有助于城市面貌煥然一新，卻使得原本設計使用壽命為30年的拉索，通常不到15年就被更換，這在一定程度上是對國家資源的巨大浪費。作為科研人員，應當秉承嚴謹、實事求是的科學態(tài)度，對橋梁結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)作出正確評判，為業(yè)主部門的決策提供科學依據(jù)。
此外，一些外表看似處于正常使用狀態(tài)的橋梁，似乎沒有換索的需要。但是，通過對橋梁各項參數(shù)進行檢測，如對拉索銹蝕狀況、索力、橋面標高等參數(shù)調(diào)查統(tǒng)計后，代入模型，模擬橋梁運營狀態(tài)，則有可能出現(xiàn)意想不到的結(jié)果，即部分拉索在最不利汽車活載工況作用下索力偏大，拉索安全系數(shù)明顯降低。由于斜拉橋是高次超靜定結(jié)構(gòu)，卸除結(jié)構(gòu)的某一構(gòu)件后，結(jié)構(gòu)仍然能夠保持靜定狀態(tài)，仍能繼續(xù)承載，但內(nèi)力分布情況將發(fā)生重大改變。最為明顯的是，被卸除拉索所負擔的索力將轉(zhuǎn)移至鄰近拉索，使得這部分拉索的應力水平提高，拉索安全系數(shù)明顯降低。而根據(jù)《公路斜拉橋設計細則》（JTGTD65-1-2007）3.4條規(guī)定[3]，運營狀態(tài)斜拉索安全系數(shù)不應小于2.5，施工狀態(tài)斜拉索安全系數(shù)不應小于2.0。當拉索截面積由于腐蝕而削減后，再進行拉索的更換，極有可能由于部分拉索索力的安全系數(shù)超限，而使得換索過程難以進行；或者需要額外增加施工成本，例如封閉橋面交通或者采用滿堂支架支撐橋梁，這將進一步增加維修成本且?guī)聿焕纳鐣绊憽?
以上所述斜拉索使用及更換現(xiàn)狀可以歸納如圖1所示，所有出現(xiàn)拉索病害的斜拉橋，可以分為三類，第一類是已經(jīng)出現(xiàn)拉索斷裂情況的，這一類固然要立刻進行拉索更換；第二類是拉索出現(xiàn)銹蝕，經(jīng)過分析判別后，必須更換拉索；第三類是拉索出現(xiàn)銹蝕，經(jīng)過分析判別后，一段時間內(nèi)可以不進行拉索更換，只需對拉索進行除銹處理，從而維持拉索的設計使用壽命。通過這樣分類，可以有效地運用財政資源，提高橋梁的利用率。
從圖1可以看出，在拉索出現(xiàn)銹蝕病害而又未斷裂時（即圖中第二類和第三類情形），需要對結(jié)構(gòu)狀態(tài)進行判斷，從而確定是否需要對拉索進行更換，以實現(xiàn)資源利用的最大化。
2 換索準則的提出
首先，根據(jù)以往各種斜拉橋換索工程的準備及實施情況，將斜拉橋換索工程決策及設計的一般性流程總結(jié)如下：
?。?）通過現(xiàn)場實地結(jié)構(gòu)檢測，對斜拉橋全橋線形、主塔偏位、拉索銹蝕、拉索索力及結(jié)構(gòu)裂縫等進行測量統(tǒng)計。
?。?）根據(jù)實測數(shù)據(jù)，對有限元模型進行修正，包括：主梁、主塔剛度修正，拉索剛度修正及拉索彈模修正。并根據(jù)實測線形，對墩臺沉降進行模擬。
?。?）根據(jù)結(jié)構(gòu)安全評估結(jié)果，判定是否需要進行拉索更換。若確定更換拉索，則進行拉索更換設計。
?。?）根據(jù)橋址附近交通情況，確定合理的交通組織設計；根據(jù)結(jié)構(gòu)受力情況，確定合理的拉索更換順序。
?。?）根據(jù)已確定的換索設計以及當?shù)刎斦A算情況，確定是否需要修正換索設計。
換索工程決策及設計的一般性流程圖如圖2所示。
圖中①表示當換索期間結(jié)構(gòu)安全驗算不通過時，可通過調(diào)整換索順序，調(diào)整換索期間結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形。②表示當工程概算大于財政預算時，可以通過再次調(diào)整換索順序，優(yōu)化換索過程，提高施工效率，從而實現(xiàn)工程概算最小化。③表示當工程概算大于財政預算時，亦可先進行銹蝕較嚴重拉索的更換，以后逐年完成剩余拉索的更換，從而充分利用本財政年度預算。
從圖2可以看出，在換索工程決策及設計的一般性流程中，影響因素主要有3個，即社會影響、結(jié)構(gòu)安全、工程概算。這三點分別從社會角度、安全角度及經(jīng)濟角度對拉索更換這一行為進行鑒別，從而以最小的社會成本完成換索，保證結(jié)構(gòu)的安全。
三者互相影響，互相制約，但最終都可以通過調(diào)整換索順序達到一種平衡。而結(jié)構(gòu)安全始終是放在第一位權(quán)衡的因素，因為只有在結(jié)構(gòu)安全的前提下，其他所有的問題才有討論的意義。從圖2可以看出，結(jié)構(gòu)安全與否的判斷，主要體現(xiàn)在換索決策初期的結(jié)構(gòu)安全評估以及換索方案設計時的結(jié)構(gòu)安全驗算。前者是判斷是否需要更換拉索，后者是判斷更換方案的可行性。判定結(jié)構(gòu)是否安全，需要有相關的判定依據(jù)，而目前斜拉橋相關規(guī)范均未對既有斜拉橋結(jié)構(gòu)安全評判作具體說明。因此，本文針對結(jié)構(gòu)安全這一要素，探討是否可以找尋一個量化的參數(shù)，作為結(jié)構(gòu)安全的評判標準，進而作為斜拉橋換索的換索準則，使得斜拉橋換索的決策過程標準化、科學化。
3 換索準則的確定
3.1 換索準則的作用
換索準則是指斜拉橋換索工程決策和設計過程中的判定標準和原則。其主要作用包括：
?。?）判定一座斜拉索橋是否需要進行拉索更換；
（2）判定斜拉橋各種換索方案的優(yōu)劣與否。 換索準則的提出，是為了使斜拉橋換索工程的決策過程科學化和標準化。避免決策過程的含混不清，盲目片面。從而發(fā)揮結(jié)構(gòu)最大的工作效能，避免了國家資源的浪費。
3.2 控制參數(shù)的選取
對于運營數(shù)年的舊斜拉橋來說，一般能進行精確識別的除了結(jié)構(gòu)線形外，就是拉索索力，并且索力對結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的影響也很顯著，主梁所承受的軸向壓力基本都是由索力的水平分力提供，索力的變化直接影響主梁、主塔的受力狀態(tài)[6]。根據(jù)《公路斜拉橋設計細則》中3.4條規(guī)定，運營狀態(tài)斜拉索的安全系數(shù)不應小于2.5，施工狀態(tài)斜拉索的安全系數(shù)不應小于2.0。據(jù)此，我們可以將拉索索力作為換索準則的控制參數(shù)，具有可靠的理論依據(jù)。
3.3 控制參數(shù)閾值的確定
根據(jù)現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)，考慮拉索的銹蝕情況，對斜拉橋當前狀態(tài)進行模擬，若斜拉索在活載最不利工況下的安全系數(shù)超出了《公路斜拉橋設計細則》中規(guī)定的限值2.5，則可以判定，拉索需要進行更換。再者，對當前斜拉橋進行換索工況模擬（即換索施工過程模擬），若施工過程中斜拉索的安全系數(shù)超出了《斜拉橋設計細則》中規(guī)定的限值2.0，則應修改換索方案，并重新進行驗算，直至滿足要求。
綜上所述，本文初擬定換索準則為：運營狀態(tài)下拉索安全系數(shù)必須大于2.5，如果不滿足，則應進行拉索更換；換索施工過程中拉索安全系數(shù)必須大于2.0，如果不滿足，則應調(diào)整換索方案。
4 工程實例
4.1 工程概況
為了驗證上文所提出的換索準則的實用性，本文以浙江省上虞市人民大橋為例，闡述該準則的具體使用流程。人民大橋為獨塔雙索面斜拉橋，全橋共112根斜拉索，每個索面由兩排拉索構(gòu)成，模型建立時，為簡化換索步驟，將雙排拉索合并成一排拉索，合并后，全橋共計56根拉索，拉索依次由東往西上游編號1#～28#，下游編號29#～56#。
2011年，由于地區(qū)安全事故頻發(fā)，當?shù)厥姓芾聿块T為了防患未然，組織相關單位對全橋進行了結(jié)構(gòu)檢測與安全評估。為了防止橋梁運營過程中出現(xiàn)斷索現(xiàn)象，需對該橋是否需要換索進行評判。本文采用前述換索準則，對人民大橋進行了分析研究。
4.2 結(jié)構(gòu)當前狀態(tài)評估
首先，根據(jù)現(xiàn)場檢測的各斜拉索銹蝕情況，統(tǒng)計銹蝕部位的長度l，銹蝕深度t，以及銹蝕寬度d，從而對拉索截面積予以折減，進而求得當前運營狀態(tài)下拉索的安全系數(shù)。
通過對比成橋狀態(tài)、活載最大工況以及活載最小工況下的拉索安全系數(shù)（如圖3、圖4所示），可以發(fā)現(xiàn)，該橋在活載最大工況下，拉索安全系數(shù)已經(jīng)低于限值2.5。且考慮計算模型中的汽車荷載是按照85規(guī)范選取，而實際該橋位于交通要道，車流量較大，遠遠超過當年的設計荷載等級，因而實際拉索的安全系數(shù)將進一步降低。
4.3 換索方案確定
為充分說明換索準則在換索方案比選中的作用，本文設計了四個換索方案：
?。?）關于橋塔對稱，先由長至短更換上游拉索，再由長至短更換下游拉索；（2）關于橋塔對稱，先由短至長更換上游拉索，再由短至長更換下游拉索；（3）關于橋塔對稱，由長至短上、下游同步換索；（4）關于橋塔對稱，由短至長上、下游同步換索。
分別根據(jù)上述四種方案建立分析模型，模擬四種換索工況，將四種方案的拉索最小安全系數(shù)繪制成折線圖，如圖5～圖6所示?？梢钥闯觯桨?和方案4的拉索安全系數(shù)明顯比方案1和方案2的拉索安全系數(shù)小，原因在于這兩種方案上下游同時更換，使得拉索卸除后，鄰近索分擔的荷載較前兩種方案多，因而索力較大，拉索安全系數(shù)較小。
從圖5、圖6可以看出：由于12#和35#拉索的索力較大，本身銹蝕又比較嚴重，最終造成二者的安全系數(shù)偏低，分別達到2.3和2.4，考慮到換索期間如果半封閉交通，則結(jié)構(gòu)驗算時應考慮汽車活載產(chǎn)生的拉索索力變化，通過對本橋進行試算，活載效應占恒載效應的5%左右，再考慮施工器械和人員荷載的影響，偏安全地，取活載效應為恒載效應的10%。則拉索安全系數(shù)最小可至2.1，可以看出，該值已經(jīng)很接近規(guī)范規(guī)定的施工階段拉索安全系數(shù)2.0的下限。
因此，若封閉交通，即上下游同時施工，則方案3較方案4的拉索安全系數(shù)大一些，應作為理想的換索方案；若不封閉交通，即上下游先后進行換索，方案1較方案2的拉索安全系數(shù)大一些，是合理的換索方案。
4.4 控制參數(shù)的閾值修正
《斜拉橋設計細則》之所以將施工階段的拉索安全系數(shù)定為2.0，作者認為一方面由于結(jié)構(gòu)處于組建階段，預應力筋未張拉齊全，鋼結(jié)構(gòu)之間也未充分錨固，整體協(xié)同受力能力不強，節(jié)段自重基本由節(jié)段內(nèi)拉索承擔，造成索力應力水平較高；另一方面，施工期間的掛籃荷載也在一定程度上增加了拉索的應力水平，故將拉索安全系數(shù)的閾值設定較低。
而在換索實施期間，結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為一個整體，且沒有掛籃荷載，如果仍采用規(guī)范規(guī)定的2.0作為拉索安全系數(shù)的限值，不符合實際，主觀上造成拉索應力幅較大，降低了拉索的疲勞抗力，故應將換索施工期間的安全系數(shù)從2.0適當提高。再者，由于大多數(shù)斜拉橋換索工程都是在不封閉交通的情況下實施，因此進行施工過程驗算時一般應考慮汽車活載的影響，相對于運營狀態(tài)下的拉索安全系數(shù)驗算，換索施工時的結(jié)構(gòu)更脆弱一些，故可以考慮將換索施工期間的拉索安全系數(shù)由運營狀態(tài)的2.5適當降低。通過對人民大橋換索工程實施期間的結(jié)構(gòu)進行試算，本文建議取折中數(shù)值2.3作為換索期間拉索安全系數(shù)的閥值。
5 結(jié)語
本文通過對比分析目前斜拉橋換索工程實施的現(xiàn)狀，提出影響換索工程決策的幾個關鍵因素：社會影響、結(jié)構(gòu)安全和工程概算。本文針對結(jié)構(gòu)安全這一因素，探討是否可以找尋一個量化的參數(shù)，作為結(jié)構(gòu)安全的評判標準，進而作為斜拉橋換索的評判準則，使得斜拉橋換索的決策過程標準化、科學化。最終通過對主梁、主塔截面應力，拉索安全系數(shù)，以及主梁、主塔位移三個控制參數(shù)比選分析，確定拉索安全系數(shù)作為換索準則的控制參數(shù)。并通過一項工程實例，介紹了換索準則的具體實施方法。在此期間，對拉索安全系數(shù)閥值的選取進行了探討分析，并給出修正值。
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