斜拉桥换索准则探讨与研究
2018-04-23
1 引言
斜拉桥经多年运营后，一般均需要进行斜拉索更换或索力调整工作，以维持其设计使用功能。目前，国内斜拉索更换主要有两方面原因。一方面，一些斜拉索严重锈蚀，在桥梁运营过程中出现断裂现象，严重危及桥梁的使用功能，所以必须进行拉索更换，这是“刚性需求”。例如，1979年2月委内瑞拉马拉开波桥有一根拉索由于腐蚀突然断裂，当局采取了紧急修复措施，更换了拉索，避免了可能发生的严重后果[2]。另一方面，一些业主单位倾向于将一些市政工程的维修加固时间点提前，即将本可以继续使用的市政结构纳入维修加固项目中去。这样虽然有助于城市面貌焕然一新，却使得原本设计使用寿命为30年的拉索，通常不到15年就被更换，这在一定程度上是对国家资源的巨大浪费。作为科研人员，应当秉承严谨、实事求是的科学态度，对桥梁结构的工作状态作出正确评判，为业主部门的决策提供科学依据。
此外，一些外表看似处于正常使用状态的桥梁，似乎没有换索的需要。但是，通过对桥梁各项参数进行检测，如对拉索锈蚀状况、索力、桥面标高等参数调查统计后，代入模型，模拟桥梁运营状态，则有可能出现意想不到的结果，即部分拉索在最不利汽车活载工况作用下索力偏大，拉索安全系数明显降低。由于斜拉桥是高次超静定结构，卸除结构的某一构件后，结构仍然能够保持静定状态，仍能继续承载，但内力分布情况将发生重大改变。最为明显的是，被卸除拉索所负担的索力将转移至邻近拉索，使得这部分拉索的应力水平提高，拉索安全系数明显降低。而根据《公路斜拉桥设计细则》（JTGTD65-1-2007）3.4条规定[3]，运营状态斜拉索安全系数不应小于2.5，施工状态斜拉索安全系数不应小于2.0。当拉索截面积由于腐蚀而削减后，再进行拉索的更换，极有可能由于部分拉索索力的安全系数超限，而使得换索过程难以进行；或者需要额外增加施工成本，例如封闭桥面交通或者采用满堂支架支撑桥梁，这将进一步增加维修成本且带来不利的社会影响。
以上所述斜拉索使用及更换现状可以归纳如图1所示，所有出现拉索病害的斜拉桥，可以分为三类，第一类是已经出现拉索断裂情况的，这一类固然要立刻进行拉索更换；第二类是拉索出现锈蚀，经过分析判别后，必须更换拉索；第三类是拉索出现锈蚀，经过分析判别后，一段时间内可以不进行拉索更换，只需对拉索进行除锈处理，从而维持拉索的设计使用寿命。通过这样分类，可以有效地运用财政资源，提高桥梁的利用率。
从图1可以看出，在拉索出现锈蚀病害而又未断裂时（即图中第二类和第三类情形），需要对结构状态进行判断，从而确定是否需要对拉索进行更换，以实现资源利用的最大化。
2 换索准则的提出
首先，根据以往各种斜拉桥换索工程的准备及实施情况，将斜拉桥换索工程决策及设计的一般性流程总结如下：
（1）通过现场实地结构检测，对斜拉桥全桥线形、主塔偏位、拉索锈蚀、拉索索力及结构裂缝等进行测量统计。
（2）根据实测数据，对有限元模型进行修正，包括：主梁、主塔刚度修正，拉索刚度修正及拉索弹模修正。并根据实测线形，对墩台沉降进行模拟。
（3）根据结构安全评估结果，判定是否需要进行拉索更换。若确定更换拉索，则进行拉索更换设计。
（4）根据桥址附近交通情况，确定合理的交通组织设计；根据结构受力情况，确定合理的拉索更换顺序。
（5）根据已确定的换索设计以及当地财政预算情况，确定是否需要修正换索设计。
换索工程决策及设计的一般性流程图如图2所示。
图中①表示当换索期间结构安全验算不通过时，可通过调整换索顺序，调整换索期间结构的内力及变形。②表示当工程概算大于财政预算时，可以通过再次调整换索顺序，优化换索过程，提高施工效率，从而实现工程概算最小化。③表示当工程概算大于财政预算时，亦可先进行锈蚀较严重拉索的更换，以后逐年完成剩余拉索的更换，从而充分利用本财政年度预算。
从图2可以看出，在换索工程决策及设计的一般性流程中，影响因素主要有3个，即社会影响、结构安全、工程概算。这三点分别从社会角度、安全角度及经济角度对拉索更换这一行为进行鉴别，从而以最小的社会成本完成换索，保证结构的安全。
三者互相影响，互相制约，但最终都可以通过调整换索顺序达到一种平衡。而结构安全始终是放在第一位权衡的因素，因为只有在结构安全的前提下，其他所有的问题才有讨论的意义。从图2可以看出，结构安全与否的判断，主要体现在换索决策初期的结构安全评估以及换索方案设计时的结构安全验算。前者是判断是否需要更换拉索，后者是判断更换方案的可行性。判定结构是否安全，需要有相关的判定依据，而目前斜拉桥相关规范均未对既有斜拉桥结构安全评判作具体说明。因此，本文针对结构安全这一要素，探讨是否可以找寻一个量化的参数，作为结构安全的评判标准，进而作为斜拉桥换索的换索准则，使得斜拉桥换索的决策过程标准化、科学化。
3 换索准则的确定
3.1 换索准则的作用
换索准则是指斜拉桥换索工程决策和设计过程中的判定标准和原则。其主要作用包括：
（1）判定一座斜拉索桥是否需要进行拉索更换；
（2）判定斜拉桥各种换索方案的优劣与否。 换索准则的提出，是为了使斜拉桥换索工程的决策过程科学化和标准化。避免决策过程的含混不清，盲目片面。从而发挥结构最大的工作效能，避免了国家资源的浪费。
3.2 控制参数的选取
对于运营数年的旧斜拉桥来说，一般能进行精确识别的除了结构线形外，就是拉索索力，并且索力对结构受力状态的影响也很显著，主梁所承受的轴向压力基本都是由索力的水平分力提供，索力的变化直接影响主梁、主塔的受力状态[6]。根据《公路斜拉桥设计细则》中3.4条规定，运营状态斜拉索的安全系数不应小于2.5，施工状态斜拉索的安全系数不应小于2.0。据此，我们可以将拉索索力作为换索准则的控制参数，具有可靠的理论依据。
3.3 控制参数阈值的确定
根据现场检测数据，考虑拉索的锈蚀情况，对斜拉桥当前状态进行模拟，若斜拉索在活载最不利工况下的安全系数超出了《公路斜拉桥设计细则》中规定的限值2.5，则可以判定，拉索需要进行更换。再者，对当前斜拉桥进行换索工况模拟（即换索施工过程模拟），若施工过程中斜拉索的安全系数超出了《斜拉桥设计细则》中规定的限值2.0，则应修改换索方案，并重新进行验算，直至满足要求。
综上所述，本文初拟定换索准则为：运营状态下拉索安全系数必须大于2.5，如果不满足，则应进行拉索更换；换索施工过程中拉索安全系数必须大于2.0，如果不满足，则应调整换索方案。
4 工程实例
4.1 工程概况
为了验证上文所提出的换索准则的实用性，本文以浙江省上虞市人民大桥为例，阐述该准则的具体使用流程。人民大桥为独塔双索面斜拉桥，全桥共112根斜拉索，每个索面由两排拉索构成，模型建立时，为简化换索步骤，将双排拉索合并成一排拉索，合并后，全桥共计56根拉索，拉索依次由东往西上游编号1#～28#，下游编号29#～56#。
2011年，由于地区安全事故频发，当地市政管理部门为了防患未然，组织相关单位对全桥进行了结构检测与安全评估。为了防止桥梁运营过程中出现断索现象，需对该桥是否需要换索进行评判。本文采用前述换索准则，对人民大桥进行了分析研究。
4.2 结构当前状态评估
首先，根据现场检测的各斜拉索锈蚀情况，统计锈蚀部位的长度l，锈蚀深度t，以及锈蚀宽度d，从而对拉索截面积予以折减，进而求得当前运营状态下拉索的安全系数。
通过对比成桥状态、活载最大工况以及活载最小工况下的拉索安全系数（如图3、图4所示），可以发现，该桥在活载最大工况下，拉索安全系数已经低于限值2.5。且考虑计算模型中的汽车荷载是按照85规范选取，而实际该桥位于交通要道，车流量较大，远远超过当年的设计荷载等级，因而实际拉索的安全系数将进一步降低。
4.3 换索方案确定
为充分说明换索准则在换索方案比选中的作用，本文设计了四个换索方案：
（1）关于桥塔对称，先由长至短更换上游拉索，再由长至短更换下游拉索；（2）关于桥塔对称，先由短至长更换上游拉索，再由短至长更换下游拉索；（3）关于桥塔对称，由长至短上、下游同步换索；（4）关于桥塔对称，由短至长上、下游同步换索。
分别根据上述四种方案建立分析模型，模拟四种换索工况，将四种方案的拉索最小安全系数绘制成折线图，如图5～图6所示。可以看出，方案3和方案4的拉索安全系数明显比方案1和方案2的拉索安全系数小，原因在于这两种方案上下游同时更换，使得拉索卸除后，邻近索分担的荷载较前两种方案多，因而索力较大，拉索安全系数较小。
从图5、图6可以看出：由于12#和35#拉索的索力较大，本身锈蚀又比较严重，最终造成二者的安全系数偏低，分别达到2.3和2.4，考虑到换索期间如果半封闭交通，则结构验算时应考虑汽车活载产生的拉索索力变化，通过对本桥进行试算，活载效应占恒载效应的5%左右，再考虑施工器械和人员荷载的影响，偏安全地，取活载效应为恒载效应的10%。则拉索安全系数最小可至2.1，可以看出，该值已经很接近规范规定的施工阶段拉索安全系数2.0的下限。
因此，若封闭交通，即上下游同时施工，则方案3较方案4的拉索安全系数大一些，应作为理想的换索方案；若不封闭交通，即上下游先后进行换索，方案1较方案2的拉索安全系数大一些，是合理的换索方案。
4.4 控制参数的阈值修正
《斜拉桥设计细则》之所以将施工阶段的拉索安全系数定为2.0，作者认为一方面由于结构处于组建阶段，预应力筋未张拉齐全，钢结构之间也未充分锚固，整体协同受力能力不强，节段自重基本由节段内拉索承担，造成索力应力水平较高；另一方面，施工期间的挂篮荷载也在一定程度上增加了拉索的应力水平，故将拉索安全系数的阈值设定较低。
而在换索实施期间，结构已经成为一个整体，且没有挂篮荷载，如果仍采用规范规定的2.0作为拉索安全系数的限值，不符合实际，主观上造成拉索应力幅较大，降低了拉索的疲劳抗力，故应将换索施工期间的安全系数从2.0适当提高。再者，由于大多数斜拉桥换索工程都是在不封闭交通的情况下实施，因此进行施工过程验算时一般应考虑汽车活载的影响，相对于运营状态下的拉索安全系数验算，换索施工时的结构更脆弱一些，故可以考虑将换索施工期间的拉索安全系数由运营状态的2.5适当降低。通过对人民大桥换索工程实施期间的结构进行试算，本文建议取折中数值2.3作为换索期间拉索安全系数的阀值。
5 结语
本文通过对比分析目前斜拉桥换索工程实施的现状，提出影响换索工程决策的几个关键因素：社会影响、结构安全和工程概算。本文针对结构安全这一因素，探讨是否可以找寻一个量化的参数，作为结构安全的评判标准，进而作为斜拉桥换索的评判准则，使得斜拉桥换索的决策过程标准化、科学化。最终通过对主梁、主塔截面应力，拉索安全系数，以及主梁、主塔位移三个控制参数比选分析，确定拉索安全系数作为换索准则的控制参数。并通过一项工程实例，介绍了换索准则的具体实施方法。在此期间，对拉索安全系数阀值的选取进行了探讨分析，并给出修正值。
参考文献：
[1]蒋伟平，李亚东，徐俊.斜拉桥换索设计方法探讨[J].结构工程师，2010，26（2）：57-59.
[2]王文涛.斜拉桥换索工程[M].北京：人民交通出版社，2006.
[3]中华人民共和国交通部.JTG-T D65-01-2007公路斜拉桥设计细则[S].北京：人民交通出版社，2007.
[4]仇学艳，王超，秦崇仁.阈值法在河海工程设计中的应用[J].水利学报，2001，8：32-37.
[5]杨建国，吴利权.铝合金桁架天桥荷载试验及承载分析[J].结构工程师，2001，27：281-284.
[6]李晓莉，肖汝诚.埃塔斜拉桥的力学行为分析与设计实践[J].结构工程师，2005，21（4）：7-10.
