摘要：斜拉索的使用寿命为20年，在桥梁运营阶段将面临数次更换，由此带来换索过程中的安全风险问题，论证换索可行性及合理换索顺序成为未来桥梁维护的重要内容之一。本文以江肇高速西江特大桥为背景工程，采用敏感性分析确定最不利拉索，以结构分析优化拉索更换顺序，分别提出了中断交通与不中断交通情况下的拉索更换方案，为拉索更换或维护提供技术借鉴。
关键词：矮塔斜拉桥；刚构体系；换索；敏感性分析
Cables Replacement Scheme of Multi-span Rigid Frame Extradosed Bridge
Du Zhi-wen1，Liu Wen-suo2
（1.Guangdong Nanyue Transportation Investment Construction Co.，Ltd.，Guangzhou 510101；2.Guangdong Communication Polytechnic，Guangzhou 510101）
Abstract：The service life of cables is about 20 years，and the cables will be replaced several times in the operation stage，which brings safety risks in the replacement process.The feasibility and the reasonable order of cable replacement have become one of the important contents of future bridge maintenance.Taking Xijiang bridge of Jiangzhao highway as background project，sensitivity method is used to determine the most disadvantageous cables，the replacement sequence of the cables is optimized by structural analysis，and the replacement schemes of cables under the condition of interruption and non-interruption of traffic are put forward respectively，which provides technical reference for the maintenance of cables.
Keywords：Extradosed bridge；Rigid frame system；Cables replacement；Sensitivity analysis
我国第一批大规模建造的桥梁普遍进入维护期，其中矮塔斜拉桥的拉索运营时间已经接近设计寿命，即将面临一次大规模的更换。由于桥梁承载力、抗裂能力与索力效应密切相关，在拉索拆除以及更换过程中的结构安全性、抗裂性需得到充分论证，并以此制定合理的换索方案等。目前大部分研究集中在换索工艺方面[1~3]，涉及结构方面的研究仍然偏少。部分研究采用了BP神经网络方法[4]与敏感性分析方法[5]，部分研究考虑了交通因素[6]，但主要是针对斜拉桥。本文以西江特大桥为背景，针对结构条件与运营状况，开展拉索合理更换方案的研究，为拉索更换或维护提供依据，为其他同类桥梁提供参考。
1 工程概况
江肇高速公路西江大桥为四塔五跨单索面矮塔斜拉桥，主跨为（128+3×210+128）m，采用墩、塔、梁固结刚构体系，该桥是典型多塔宽幅单索面矮塔斜拉桥，孔跨布置如图1所示。
图1 西江特大桥孔跨布置图（单位：m）
斜拉索为单索面双排索，主塔设置为独柱式的钢筋混凝土结构。截面为八边形，并在顺桥向塔中刻深0.1m宽0.7m的景观饰条。主塔高度为30.5m（含索顶以上4m装饰段），主塔截面等宽段顺桥向厚为5m，横桥向宽2.5m，在与主梁交界附近截面渐变增大，主塔构造详见图2所示。
图2 主塔一般构造图（单位：m）
2 最不利拉索的确定
为确定最不利拉索，采用了敏感性分析方法。斜拉索敏感性，即拉索索力发生单位变化，对结构力学性能的影响程度。通过建立有限元模型，对比分析了矮塔斜拉桥斜拉索的敏感度，为选择合理的换索顺序提供依据。
由于主要研究斜拉索的敏感度，故对杆系有限元模型做了如下改变：①不考虑自重荷载，二期恒载和活载；②不考虑施工过程，结构整体为一次落架；③不考虑收缩徐变。
江肇大桥全桥共128对斜拉索，本文选取了16对进行研究，选取原则为从边跨开始的四幅斜拉索面，每一幅斜拉索面内选取等分的四根斜拉索，这样的16对斜拉索可以反映全桥斜拉索敏感度的变化情况，具有代表性并减小了工作量。设定拉索的初索力为100kN，然后，在其他拉索索力不变的条件下，将特定拉索的索力增大至200kN，考察该斜拉索索力变化后对结构整体受力的影响程度，即斜拉索的敏感度。
图3 挑选16对拉索的位置
1号拉索位于边塔（1号塔）最外侧。当索力由100kN变化为200kN时，1号拉索与主梁交点处主梁的竖向位移明显增加，上升了0.1mm。索力的增加使得塔顶向1号索方向移动，塔梁固结处发生偏向拉索方向的转角位移，塔根处1号拉索侧的主梁发生向下位移而另一侧发生向上的位移；与塔顶相连的次中跨拉索随主塔发生位移，索力增大，带动次中跨跨中主梁向上位移0.1mm。其他各跨的响应与连续梁桥类似，位移情况呈波浪形状。
16号拉索位于中塔（2号塔）最内侧，是最接近中跨跨中的一根拉索。当索力由100kN变化为200kN时，16号拉索与主梁交点处主梁的竖向位移明显增加，上升了0.4mm。索力的增加使得塔顶向16号索方向移动，塔梁固结处发生偏向拉索方向的转角位移，塔根处16号拉索侧的主梁发生向下位移而另一侧发生向上的位移.由于拉索作用于跨中，故主梁的竖向位移大致是对称的。
对比1号斜拉索和16号斜拉索对主梁竖向位移的影响，可以发现拉索索力增大，直接引起拉索两端——主梁和主塔塔顶发生偏向拉索的位移。而中跨跨中拉索索力变化要比边跨外侧索力变化对主梁竖向位移的影响要明显增大许多，这体现了多跨矮塔斜拉桥拉索敏感度的特别之处。
图4 第1号拉索对主梁竖向位移影响曲线
图5 第16号拉索对主梁竖向位移影响曲线
与上述分析结论类似的是，对主梁竖向位移影响较大的斜拉索，如8号索、9号索和16号索，均是作用在中跨跨中的斜拉索，即跨中区域斜拉索对主梁竖向位移的敏感度要高于主塔附近斜拉索，是最为不利的拉索。
3 合理更换方案的确定
3.1换索工况
矮塔斜拉桥斜拉索通过主塔索鞍段锚固于主塔上，斜拉索是连续通过塔顶的。因此，对于矮塔斜拉桥，换索是“成对”进行的，根据敏感性分析结论，更换体系受力最为敏感的中跨最外侧索，分别讨论中断交通以及不中断交通情况下更换一对、两对及三对拉索时主梁承载性能，换索工况如图6所示。
图6 换索工况说明
对每种工况，分别计算了在交通中断条件下和不中断交通的条件下换索的结构响应。其中，交通中断时换索的结构响应考虑混凝土的收缩徐变，不考虑车辆荷载和人群荷载，在有限元模型中添加了删除相应拉索单元的施工工况。其内力应力状态为施工阶段的内力和应力。而对于不中断交通换索时，则需要添加使用荷载，在承载力极限状态下验算其强度。
3.2拉索更换工况一分析
工况一卸下的一对斜拉索位于中跨塔最外侧，观察图7可以发现，在该斜拉索作用位置，次中跨和正中跨跨中正弯矩有增大的现象。即卸除斜拉索后，相当于在跨中作用了向下的集中力，使得跨中主梁的正弯矩增大。
a）中断交通
b）不中断交通
图7 更换一对拉索时主梁弯矩（包络）图
中断交通条件下，工况一拉索卸除后结构位移、内力、应力情况如表1。
表1 工况一中断交通结构位移、内力、应力表
通过上表可以看出，卸下2号塔最外侧拉索，对结构塔顶水平位移、塔根弯矩影响较小，而且对塔根截面最大应力产生了有利的影响。但是，拉索卸除后，与拉索直接相连的次中跨和中跨的位移和弯矩以及应力水平都有了比较大的改变，中跨弯矩变幅达到了371.70%。次中跨和中跨跨中截面最大应力分别达到了10.5 MPa和8.7MPa，距离允许应力值26.9MPa还有一定差距，但其增幅还是比较明显的。
在不中断交通的情况下，即考虑了车辆荷载及人群荷载后，计算了承载能力极限状态下，换索后次中跨跨中截面的压应力，为16.1MPa，即只换一对索的条件下，可以实现不中断交通换索。
3.3拉索更换工况二分析
由于工况二与工况一有相似的弯矩变化规律，此处不再单独示出，示出中断交通条件下，工况二拉索卸除后结构位移、内力、应力情况如表2。
表2 工况二中断交通结构位移、内力、应力表
通过上表可以看出，卸下2号塔最外侧两对拉索，对结构塔顶水平位移、塔根弯矩影响逐渐增大，塔顶水平位移变幅达到7.77％。对塔根截面最大应力产生的有利影响也增大了。拉索卸除后，与拉索直接相连的次中跨和中跨的位移和弯矩以及应力水平有了更大的改变，中跨弯矩变幅达到了708.49%。次中跨和中跨跨中截面最大应力分别达到了11.8 MPa和9.99MPa。
计算在不中断交通的情况下，换索后次中跨跨中截面的压应力为17.9MPa，达到容许值的67％。
3.4拉索更换工况三分析
示出中断交通条件下，工况三拉索卸除后结构位移、内力、应力情况如表3。
表3 工况三中断交通结构位移、内力、应力表
通过上表可以看出，卸下2号塔最外侧三对拉索，结构塔顶水平位移相对于前两个工况明显增大，由换索引起的塔顶水平位移达到1cm。拉索卸除后，与拉索直接相连的次中跨和中跨的位移和弯矩以及应力水平增大非常明显，中跨弯矩变幅达到了1033.33%。次中跨和中跨跨中截面最大应力分别达到了12.9 MPa和11.2MPa，变幅分别达到了40.07%和53.64%。
在不中断交通的情况下，换索后次中跨跨中截面的压应力，为19.6MPa，已经比较接近容许应力水平。
3.5合理更换方案
总结前述分析，可以得出以安全性和抗裂性控制的换索可行方案，并考虑一定的安全富余情况、施工条件限制，得到合理更换方案如下：
（1）在中断交通的条件下换索，如果施工控制得当并注意实时监控，最多可以同时换三对斜拉索。此时，中塔塔塔顶水平位移为1cm，中跨跨中竖向位移为8cm，弯矩达到1.085×105kN·m，截面最大应力达到12.9MPa，但均满足受力要求以及位移限制条件。但考虑到换索风险较大，且应保留一定的安全富余，如果不是工期有特殊要求，采用最多同时换两对斜拉索的换索方法。
（2）在不中断交通的条件下，考虑到荷载的不确定性，建议采用每次只换一对斜拉索的换索方法，此时跨中截面压应力也已经达到16.1MPa。
（3）从受力角度出发，换索顺序应该由尽量由内侧向外侧进行。实际操作过程中采用何种换索顺序以及优先更换的索面选择应由实际观测的拉索腐蚀程度等因素综合确定。
4 结论
（1）采用敏感性分析方法，得出多跨刚构体系矮塔斜拉桥中跨外侧最长拉索对桥梁安全影响最大的结论；
（2）多跨刚构体系矮塔斜拉桥具有较好的安全富余度，背景工程桥梁理论上在中断交通时，可以采用三对拉索的同时更换的方案，在不中断交通时，可以采用每次只换一对斜拉索的换索方案；
（3）由于拉索更换时，多余的恒活载效应转移至未拆除的拉索上，实际操作工程中应优先更换腐蚀严重的拉索，并建议从内侧短索向外侧长索的顺序进行。
参考文献：
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论文作者:杜智文1,刘文锁2
论文发表刊物:《基层建设》2019年第12期
论文发表时间:2019/7/22
标签：拉索论文; 位移论文; 应力论文; 工况论文; 弯矩论文; 斜拉桥论文; 交通论文; 《基层建设》2019年第12期论文;