斜拉橋換索準則探討與研究
2018-04-23
1 引言
斜拉橋經多年運營后，一般均需要進行斜拉索更換或索力調整工作，以維持其設計使用功能。目前，國內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斷裂現象，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)使用的市政結構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，對橋梁結構的工作狀態(tài)作出正確評判，為業(yè)主部門的決策提供科學依據。
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進行檢測，如對拉索銹蝕狀況、索力、橋面標高等參數調查統(tǒng)計后，代入模型，模擬橋梁運營狀態(tài)，則有可能出現意想不到的結果，即部分拉索在最不利汽車活載工況作用下索力偏大，拉索安全系數明顯降低。由于斜拉橋是高次超靜定結構，卸除結構的某一構件后，結構仍然能夠保持靜定狀態(tài)，仍能繼續(xù)承載，但內力分布情況將發(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，拉索安全系數明顯降低。而根據《公路斜拉橋設計細則》（JTGTD65-1-2007）3.4條規(guī)定[3]，運營狀態(tài)斜拉索安全系數不應小于2.5，施工狀態(tài)斜拉索安全系數不應小于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狀可以歸納如圖1所示，所有出現拉索病害的斜拉橋，可以分為三類，第一類是已經出現拉索斷裂情況的，這一類固然要立刻進行拉索更換；第二類是拉索出現銹蝕，經過分析判別后，必須更換拉索；第三類是拉索出現銹蝕，經過分析判別后，一段時間內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），需要對結構狀態(tài)進行判斷，從而確定是否需要對拉索進行更換，以實現資源利用的最大化。
2 換索準則的提出
首先，根據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如下：
?。?）通過現場實地結構檢測，對斜拉橋全橋線形、主塔偏位、拉索銹蝕、拉索索力及結構裂縫等進行測量統(tǒng)計。
?。?）根據實測數據，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。并根據實測線形，對墩臺沉降進行模擬。
（3）根據結構安全評估結果，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。
?。?）根據橋址附近交通情況，確定合理的交通組織設計；根據結構受力情況，確定合理的拉索更換順序。
?。?）根據已確定的換索設計以及當地財政預算情況，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表示當換索期間結構安全驗算不通過時，可通過調整換索順序，調整換索期間結構的內力及變形。②表示當工程概算大于財政預算時，可以通過再次調整換索順序，優(yōu)化換索過程，提高施工效率，從而實現工程概算最小化。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、結構安全、工程概算。這三點分別從社會角度、安全角度及經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，保證結構的安全。
三者互相影響，互相制約，但最終都可以通過調整換索順序達到一種平衡。而結構安全始終是放在第一位權衡的因素，因為只有在結構安全的前提下，其他所有的問題才有討論的意義。從圖2可以看出，結構安全與否的判斷，主要體現在換索決策初期的結構安全評估以及換索方案設計時的結構安全驗算。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。判定結構是否安全，需要有相關的判定依據，而目前斜拉橋相關規(guī)范均未對既有斜拉橋結構安全評判作具體說明。因此，本文針對結構安全這一要素，探討是否可以找尋一個量化的參數，作為結構安全的評判標準，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；
?。?）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)揮結構最大的工作效能，避免了國家資源的浪費。
3.2 控制參數的選取
對于運營數年的舊斜拉橋來說，一般能進行精確識別的除了結構線形外，就是拉索索力，并且索力對結構受力狀態(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《公路斜拉橋設計細則》中3.4條規(guī)定，運營狀態(tài)斜拉索的安全系數不應小于2.5，施工狀態(tài)斜拉索的安全系數不應小于2.0。據此，我們可以將拉索索力作為換索準則的控制參數，具有可靠的理論依據。
3.3 控制參數閾值的確定
根據現場檢測數據，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必須大于2.0，如果不滿足，則應調整換索方案。
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)，當地市政管理部門為了防患未然，組織相關單位對全橋進行了結構檢測與安全評估。為了防止橋梁運營過程中出現斷索現象，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 結構當前狀態(tài)評估
首先，根據現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。
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（如圖3、圖4所示），可以發(fā)現，該橋在活載最大工況下，拉索安全系數已經低于限值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繪制成折線圖，如圖5～圖6所示。可以看出，方案3和方案4的拉索安全系數明顯比方案1和方案2的拉索安全系數小，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，則結構驗算時應考慮汽車活載產生的拉索索力變化，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%。則拉索安全系數最小可至2.1，可以看出，該值已經很接近規(guī)范規(guī)定的施工階段拉索安全系數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的拉索安全系數大一些，是合理的換索方案。
4.4 控制參數的閾值修正
《斜拉橋設計細則》之所以將施工階段的拉索安全系數定為2.0，作者認為一方面由于結構處于組建階段，預應力筋未張拉齊全，鋼結構之間也未充分錨固，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，故將拉索安全系數的閾值設定較低。
而在換索實施期間，結構已經成為一個整體，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從2.0適當提高。再者，由于大多數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)下的拉索安全系數驗算，換索施工時的結構更脆弱一些，故可以考慮將換索施工期間的拉索安全系數由運營狀態(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構進行試算，本文建議取折中數值2.3作為換索期間拉索安全系數的閥值。
5 結語
本文通過對比分析目前斜拉橋換索工程實施的現狀，提出影響換索工程決策的幾個關鍵因素：社會影響、結構安全和工程概算。本文針對結構安全這一因素，探討是否可以找尋一個量化的參數，作為結構安全的評判標準，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，以及主梁、主塔位移三個控制參數比選分析，確定拉索安全系數作為換索準則的控制參數。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，對拉索安全系數閥值的選取進行了探討分析，并給出修正值。
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