斜拉桥换索对结构线形与应力的影响研究
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摘 要：进入二十一世纪后，国内外越来越多的斜拉桥进行了维修加固工作，其中斜拉桥拉索更换在维修工程中占据很大的比重。本文以某一实际独塔斜拉桥换索工程为依托，研究斜拉桥换索对结构线形与应力的影响，以期为相关工程提供指导和借鉴。
关键字：斜拉桥，换索，线形，应力
中图分类号：U448 文献标识码： A
Abstract： Since the beginning of 21st century， more and more cable-stayed bridges， both domestic and abroad， have received repair or reinforcement work in which cable replacement work occupies a large proportion. On the base of a cable replacement of cable-stayed bridge， the impact of changing structure linear and stress is studied to provide guidance and reference for relevant projects.
Keywords： cable-stayed bridge， cable replacement， structure linear， stess
0引言
近半个多世纪以来，斜拉桥在全世界得到了迅速的发展。由于目前材料防腐技术和施工以及运营管理的问题，国内外很多斜拉桥都已经或者即将面临换索和索力调整的问题。据不完全统计，20世纪70至90年代初，我国修建的30多座斜拉桥中，已经加固修复的桥占65%。国内外已更换拉索的斜拉桥中拉索实际使用寿命普遍偏短，未达设计使用寿命。使用寿命最短的仅有5年，与拉索一般设计使用寿命30年相差悬殊，因此，必须在新建桥梁时，充分做好拉索的防护工作，延长拉索使用寿命。那么，更换斜拉索对结构的线形和应力的影响如何？本文以上虞市人民大桥换索实际工程为依托，针对这一问题开展讨论研究，以期为类似工程提供参考和借鉴。
2工程概述
2.1桥梁概述
上虞市人民大桥主桥上部结构为H型独塔双索面斜拉桥，每个索面由14对拉索组成对称平行索面形式，全桥共计112根拉索。拉索采用高强度平行钢丝组成，标准强度1670MPa，按照索力大小分为121Φ7、127Φ7、139Φ7及163Φ7四种规格。桥面至塔顶高度70m，主桥跨径布置（如图1所示）为125m+125m，桥宽26m，布置为4m人行道+18m车行道+4m人行道。斜拉桥主梁为预应力混凝土箱梁，等截面箱梁高度为2.2m。
图1 人民大桥总体布置（单位：cm）
2.2病害情况
因斜拉索年时已久，外套PE开裂，内部钢丝锈蚀严重（见图2）。通过对箱梁外部观测，未见明显影响结构安全和承载能力的损伤、裂缝。但是桥面东侧，近E13号拉索附近，有一条横桥向裂缝（见图3），因索力分布变化产生塔偏导致桥梁线形突变而产生。
图2斜拉索锈蚀情况 图3桥面横向裂缝
3换索方案及监控内容
3.1施工总体方案
在建设单位要求的施工期间不中断交通的条件下，施工期间封闭一侧车道，仅开通另一侧两车道实行双向单车道通车，大桥换索施工采用先上游后下游、先长索后短索、同时拆除一对旧索紧接着安装一对新索的换索顺序对全桥斜拉索进行更换。
换索施工前采用钢管搭设塔外脚手架、采用型钢搭设塔下安全通道、塔顶牵引吊架、梁底倒挂平台、布设卷扬机牵引系统，换索施工完成后拆除该临时设施结构。
图4半封闭施工现场全景 图5新索挂设施工照片
3.2有限元模型
全桥共划分285个节点，283个单元，其中索单元56个，梁单元227个，拉索采用考虑Ernst公式修正后的索单元进行模拟，主塔和主梁采用梁单元模拟，拉索与主梁之间采用刚性连接。桥塔根部固结，主梁悬臂端竖向约束。全桥有限元模型如图6所示。
图6 人民大桥有限元模型
3.3监控内容
斜拉桥换索过程中结构关键参数的监测是斜拉桥换索施工控制的重要环节，其施工监控的重点包括几何状态监测、索力监测、应力监测及裂缝监测共4个部分。通过对结构各关键参数的监测，跟踪施工过程并获取结构的真实状态，不仅可以修正理论设计参数，同时又是一个安全预警系统，通过预警系统可以及时发现和避免桥梁结构的应力和变形在施工过程中超出设计范围，甚至出现结构破坏。本文仅对结构的应力和线形监测结果进行分析，以研究换索对结构应力和线形的影响。
4换索对结构线形和应力影响分析
4.1几何状态分析
人民大桥全桥换索结束后，监控方对主梁的线形进行了测量，并与换索前线形对比，发现换索前后主梁跨中挠度偏差较大，遂进行全桥调索，调索工程完成后，将调索后主梁线形与换索前以及换索完成后的主梁线形进行了比较，比较结果如图7和8所示。主梁的线形测点位于在人行道与栏杆的交界处，每隔L/4设置一个点，单侧共设9个，且上、下游对称。
图7 人民大桥换索前后南侧人行道线形比较 图8 人民大桥换索前后北侧人行道线形比较
从人民大桥调索前后的线形比较可知，在调索结束后主梁标高略有变化，尤其是进行了调索的斜拉索锚固点处标高，变化趋势是整体下挠，从而改善了换索结束后主梁上翘的状况，说明本次调索实现了线型调整的目的。
从调索结束后与换索前的线型比较可知，上游东侧人行道边缘侧最大上翘量为8.8mm；上游西侧人行道边缘侧最大上翘量为-6.5mm。而下游东侧人行道边缘侧最大上翘量为29.8mm；下游西侧人行道边缘侧最大上翘量为2.3mm。考虑到换索前后线形测量时温差达到约23℃，而降温将引起主梁上翘，因此综合而言调索后主梁线形最大上翘不到10mm；虽然在上游西侧人行道边缘侧出现下挠的情况，但下挠值不超过11.4mm，不会对结构受力产生较大影响，所以基本认为主梁线形满足设计要求。
人民大桥主桥换索完成后主塔偏位情况如下表1所示。由表1可知，在换索完毕后，桥塔向东侧偏位约8mm，横向向上游侧偏位约7mm，综合考虑温度效应等因素，桥塔总体偏位较小，换索未对桥塔产生不利影响。
表1 主塔位移变化观测表
注：1、表中坐标为相对测量设定的测站坐标；
2、表中纵、横桥向偏位符号定义：+为下游向、东向，-为上游向、西向。
4.2主梁应力分析
桥梁结构在施工过程中以及在成桥状态的受力情况是否与设计相符合是施工控制要明确的重要问题。一般通过结构应力的监测来了解实际应力状态，若发现实际应力状态与理论计算应力状态的差值超限就要进行原因查找和调控，使之在允许范围内变化。结构应力控制的好坏不像变形控制那样易于发现，若应力控制不力，将会给结构造成危害，严重者将发生结构破坏，所以它比变形控制显得更加重要，必须对结构应力实施严格监控。
针对人民大桥结构及换索施工特点，主梁的应力控制截面主要选择桥墩附近截面、近塔跟截面、1/4跨截面及跨中截面。应力测试断面布置图如图9所示，断面应力测点布置图如图9所示。由于斜拉索支撑的主梁呈多跨弹性支撑连续梁状态，在旧索卸除、新索张拉前的施工阶段，该段主梁的支撑跨度增大，对主梁的受力不利，因此必须对受力最不利截面的应力实施监控，从而为结构安全提供预警。
图9人民大桥应力控制截面布置示意图
换索结束后，无施工工况一天内主梁各控制截面具有代表性的测点应变情况见表2。由分析结果可知，应变的时程变化与温度的变化规律趋势一致，温度是引起人民大桥运营过程中内力变化的主要原因。换索完毕后，主梁各控制截面均产生了压应变增量，扣除温度效应的影响，拉索索力变化引起的应变效应较小。
表2 关键应力测点应变幅值统计表
5结论
由人民大桥全桥换索、调索完后的线形及应变的监测结果可得如下结论：
（1） 换索完毕后，主梁桥面线形在6号～14号索（本处拉索编号为由短至长依次为1～14号）之间上翘了约-10mm～10mm，而且桥面主梁存在轻微扭转，个别高程观测点上下游主梁扭转引起的高差约为8mm。
（2） 换索完毕后，主梁各控制截面均产生了压应变增量，扣除温度效应的影响，拉索索力变化引起的应变效应较小，并通过调索改善主梁应力重分布。
（3） 对于斜拉桥PC主梁结构，斜拉索换索及调索对调整塔偏位比调整主梁线形更为明显，通过调索大幅度改变主梁线形对旧桥PC主梁受力更为不利。
（4） 斜拉桥换索不可能对结构没有任何影响，因此在设计换索方案和监控过程中应将对结构的影响降至最低，才能更有效地对斜拉桥进行换索，保证结构的安全运行。
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