基于现状索力的大跨度斜拉桥分段换索方案研究

Research on Segmented Cable Replacement Scheme for Long-Span Cable-Stayed Bridges Based on Current Cable Forces

摘要

为研究大跨度斜拉桥合理的换索方案，结合郧县汉江公路大桥全桥换索工程，分析换索前现状索力检测数据，显示现状总索力与原设计成桥索力偏差不大，总偏差为0.72%，基于现状索力将全桥换索划分为三段，每段提出两种换索方案，采用MIDAS Civil软件建立全桥有限元模型，对比分析换索过程中斜拉索索力、主梁竖向位移及内力的变化规律。结果表明：长索区采用单塔对称换2根索方案，中长索区采用单塔对称、双塔斜对称换4根索方案，短索区采用单塔对称换4根、双塔先后换索方案，换索过程中各项指标均能满足要求，换索方案可行，且长、短索区换索方案组合施工能极大缩短换索工期。本文提出的基于现状索力分段换索方法，通过施工实施达到良好效果，可供同类型换索工程参考。

Abstract

To investigate rational cable replacement schemes for long-span cable-stayed bridges， this study analyzes existing cable force data from the pre-replacement inspection of the Han River Highway Bridge in Yunxian County. The results indicate that the deviation between the measured total cable force and the original design value is negligible， with a total discrepancy of 0.72%. Based on the current cable force status， the replacement work for the entire bridge was partitioned into three zones， with two alternative schemes proposed for each zone. A finite element model of the bridge was developed using MIDAS Civil to comparatively analyze variations in cable force， main girder vertical displacement， and structural internal forces throughout the replacement process. The findings demonstrate that the following schemes are optimal： a single-tower symmetric replacement of two cables for the long-cable zone； a combined single-tower symmetric and double-tower oblique symmetric replacement of four cables for the medium-long cable zone； and a single-tower symmetric replacement of four cables along with a double-tower sequential replacement for the short-cable zone. All monitored parameters remained within permissible limits， confirming the feasibility of the proposed schemes. Furthermore， the combined strategy for the long- and short-cable zones significantly reduces the construction duration. The segmented cable replacement methodology based on current cable force， as proposed in this paper， has been successfully validated through field implementation and provides a valuable reference for analogous projects.

Graphical abstract

关键词

地锚式斜拉桥 / 斜拉索 / 换索 / 索力

Key words

ground anchored cable-stayed bridge / stay cable / cable replacement / cable force

0 引 言

斜拉桥是一种由塔、梁、索组成的高次超静定结构，具有跨越能力大、受力明确、结构轻巧等优点^［1］。斜拉索作为斜拉桥的主要承重构件，连接着主梁与主塔，起着重要的传力作用，由高强度平行钢丝和锚具组成。早期建设的斜拉桥，由于防护技术不尽完善，大量斜拉索出现PE老化破损，钢丝、锚具锈蚀等病害，严重影响桥梁的正常服役能力^［2］。50余座跨径小于400 m的斜拉桥，50%以上全部或部分更换了斜拉索，斜拉索平均使用寿命不到15年^［3］，往后换索的桥梁会越来越多。

运营多年的斜拉桥，换索成为解决斜拉索耐久性问题的唯一方法。斜拉桥换索是一项复杂且庞大的工程，换索过程包含旧索卸除和新索安装两个关键工序，期间索力变化巨大，会引起主梁内力和线形发生多次调整并重新平衡，尤其是刚度较小的主梁变化更为明显，对于腐蚀严重的斜拉索，索力的突变可能引发自身破断，产生连锁效应，导致主梁严重变形、开裂^［4］。换索产生的这些变化，都会使斜拉桥处于危险的受力状态^［5］。已有研究主要关注斜拉桥换索过程的安全、快速，对换索方案的合理性研究较少。

本文以郧县汉江公路大桥全桥换索工程为例，提出基于现状索力的分段换索方法，研究合理的换索方案，以供同类型换索工程参考。

1 工程概况

郧县汉江公路大桥桥址地处汉江上游末段，是建造于20世纪90年代初的主跨大于400 m的特大型地锚式斜拉桥，桥梁全长601 m，桥跨组合为（43+43+414+43+43） m，桥面全宽15.6 m。桥型布置如图1所示。

主梁标准节段采用单箱三室截面，在跨中由单箱三室变化为单箱四室，并设置能传递弯矩、剪力，可纵向伸缩的中间铰^［6］，箱梁中线处梁高2 m，顶宽15.6 m，底宽6.6 m，主跨梁长414 m，边跨梁长43 m。地锚桥台采用框架箱形结构，与边跨主梁刚接，全长43 m，前高13.8 m，后高15.3 m，25对背索21对锚固在地锚桥台。索塔采用倒Y形独柱结构，矩形空心截面，塔高110 m，塔梁间分离仅设置横向限位支座。斜拉索采用ϕ5 mm高强平行钢丝，现场制索，呈扇形双索面布置，单塔单索面25对，全桥共100对，抗拉强度为1 570 MPa，塔端标准索距为1.2 m，梁端标准索距为8 m。

运营20年后，对全桥斜拉索进行检测，发现斜拉索PE损伤181根，外露钢丝可见锈斑66根；对郧县侧YS23a、8b、10b，YM24b号索开窗检测，钢丝表面有锈斑、锈坑；下锚头防护罩内滞水，锚具不同程度锈蚀130根。斜拉索性能衰减、腐蚀退化等问题，严重影响其使用寿命。因此，于2016年对全桥斜拉索进行更换，换索总重达1 000 t。

2 现状索力检测及评估

为准确分析换索前桥梁现状内力状态，保证换索过程结构受力分析真实^［7］，确保换索过程安全。换索前，实测全桥现状索力，并与原设计成桥索力进行对比^［8］。现状索力、原设计成桥索力对比如图2所示，现状实测索力偏差如图3所示。

索力数据对比结果如下：①上、下游各索实测索力与原设计成桥索力存在偏差，其中上游索索力偏差为-188.3~370.98 kN，最大负偏差为-10.22%，最大正偏差为18.68%，分别为SM12a、1a号索；下游索索力偏差为-198.5~330 kN，最大负偏差为-10.77%，最大正偏差为16.62%，分别为SM12b、1b号索。②索力偏差大于15%的索5根，占比2.5%，其中十堰塔SS1a、SM1a、SS1b、SM1b号索偏差分别为17.80%、18.68%、15.84%、16.62%，郧县塔YM2b号索偏差为15.30%；索力偏差大于10%的索14根，其中十堰塔8根，郧县塔7根，占比7%；索力偏差大于5%的索42根，其中十堰塔18根，郧县塔24根，占比21%；其余索的索力偏差均在±5%以内。③十堰塔索力总偏差为0.81%，郧县塔索力总偏差为0.63%，全桥索力总偏差为0.72%。

总体上，索力偏差较大的斜拉索，短索占比较大，十堰塔居多，郧县塔偏少；索力偏差较小的斜拉索，郧县塔居多，十堰塔偏少。现状总索力与原设计成桥总索力偏差不大，结构状态良好，不宜大范围调整索力^［2］。

3 分段换索方案研究

3.1　新索规格参数

斜拉桥换索是将原旧斜拉索用新斜拉索替换的过程，新索设计受到原预埋钢管及锚垫板构造的限制，采用等强度替换原则^［9］，保持新旧拉索应力水平基本一致，提高钢丝强度标准以提升安全系数。

新索采用7 mm镀锌平行钢丝、PES（HD）低应力全防腐、全防水索体。新索钢丝各项力学性能指标均较旧索进行提高，抗拉强度标准值f_pk=1 770 MPa，弹性模量E=195 000 MPa，1 000 h最大松弛率应小于0.025。结合原预埋钢管及锚垫板孔径ϕ245×8、ϕ273×12、ϕ299×10、ϕ325×12、ϕ351×10、ϕ377×12 mm，确定6种新索规格及对应锚具。新、旧斜拉索的参数见表１。

受桥梁建设期施工误差及运营期收缩徐变的影响，斜拉索锚固点坐标与原设计坐标存在偏差^［10］。确定新索索长时，重新测量拉索上、下锚点坐标，按新锚具尺寸计算新索钢丝设计下料长度^［11］。为便于新索安装张拉，锚圈螺母有更大的调整余量，塔梁两端锚杯均按张拉端设计^［12］。

3.2　分段换索方案及分析

3.2.1　分段换索方案

关于斜拉索更换顺序，先换长索还是先换短索，不同的更换顺序在实际工程上都有应用^［13-14］，以主梁弯曲应变能变化最小作为控制指标，卸除长索主梁弯曲应变能变化大，但从短索换至长索，在同时更换多对索时，跨中长索与主梁的安全性差，综合考虑后，换索顺序采用从长索换至短索。同时考虑锈蚀严重的斜拉索，更换附近拉索时，其索力会大幅增加，拉索存在突然破断的风险，对于此类拉索采用“优先更换”的原则。

结合桥型结构构造及受力特点，主跨长414 m，梁端塔梁相交处索距变化至10 m、18 m，更换主梁跨中及塔梁相交处的拉索时，索力、主梁线形及内力会发生剧烈变化。为控制达到换索效应变化最小，保证换索过程结构受力安全，将全桥换索按长索、中长索及短索划分为三段，主梁各区段换索方案见表2，换索方案示意如图4所示。

由于斜拉索在桥塔上的锚固是对称布置，一次只更换1根索，会导致主塔受力不均衡，故每种换索方案均考虑对称原则，每次更换2、4、8根索不等。

3.2.2　换索方案对比分析

斜拉桥换索过程的计算分析采用MIDAS Civil软件，建立全桥有限元杆系模型，斜拉索采用索单元模拟，其他构件采用梁单元模拟，主梁采用鱼骨梁模型考虑，共划分单元526个，其中索单元200个，梁单元326个，边界条件按桥梁实际约束情况设置，塔底、边跨梁端、斜拉索地锚端固结，塔梁相交处设置横向约束。全桥有限元模型如图5所示。

为保证换索初始状态合理，换索过程受力安全可靠，换索有限元模型以现状索力参数为基础^［15］。先模拟桥梁新建施工过程，考虑运营期混凝土收缩徐变及恒载变化的影响，再经反复调索、局部加载等技术方法，使模型索力逼近现状索力，然后按拟定换索顺序模拟全封闭交通条件下的换索施工过程，并考虑施工、温度等荷载影响，计算关键控制参数的变化量值^［13］，进行不同换索方案对比分析。

由于全桥换索数量庞大，换索方案充分考虑结构受力的对称性，故后续分析也按对称方式提取计算结果，主要分析斜拉索索力、主梁线形及内力变化规律，并由此提出合理的换索方案。

3.2.2.1　25—21号索换索方案

25—21号索江侧锚固于主跨跨中附近，索长、索力均较大，双塔斜对称拆一对索，产生的荷载效应会叠加放大。更换25—21号索工况，索力、主梁位移及内力变化如图6—图9所示。

更换25—21号索过程中，索力增量均逐渐减小，双塔斜对称换4根索，索力增量更大。拆25号索工况，24号索的索力增量分别为259.236 kN、382.825 kN，增量比为7.26%、10.72%，索力增量效应存在叠加；拆21号索工况，20号索的索力增量分别为168.643 kN、163.289 kN，增量比为7.05%、6.83%。随着索离跨中越来越远，索力增量出现相交并反转，索力增量叠加出现收敛，说明更换后序斜拉索时，索力不会叠加放大。

主梁竖向位移、正应力的变化规律与索力相同。拆25号索工况，主梁竖向位移分别为-95.217 mm、-196.000 mm，下缘正应力分别为1.275 MPa、4.256 MPa，均为受拉，位移和正应力效应存在叠加；拆21号索工况，主梁竖向位移分别为-84.851 mm、-103.088 mm，下缘正应力分别为-0.241 MPa、-1.077 MPa，均为受压。随着索离跨中越来越远，位移效应叠加逐渐减小，正应力出现相交并反转，双塔斜对称换4根索时，主梁下缘的正应力储备反而更大，是因为双塔对称换索产生的效应叠加消失，在跨中25—23号索的支撑作用下，主梁恒载沿跨中产生对称平衡，减少了不平衡导致的主梁正应力增加。

主梁腹板主拉应力，变化趋势相同，双塔斜对称换4根索，主拉应力更大，表明双塔斜对称换4根索，缺少2根索的斜向支撑，扭转效应更大。拆25号索工况，主拉应力分别为0.244 MPa、0.887 MPa；拆22号索工况，主拉应力分别为0.900 MPa、2.362 MPa，达到最大值，这是因为跨中截面在22号索处由单箱四室渐变为单箱三室，扭转刚度出现减小。

3.2.2.2　20—5号索换索方案

20—5号索江侧锚固于跨中与桥塔间的梁段，索长、索力居中，由于有跨中长索的锚固支撑，双塔对称拆一对或两对索，产生的荷载效应在拆索处及跨中基本不会产生叠加放大。更换20—5号索工况，索力、主梁位移及内力变化如图10—图13所示。

更换20—5号索过程中，索力增量的变化趋势基本一致，双塔斜对称换8根索，索力增量更大。拆12号索工况，11号索的索力增量最大，分别为174.590 kN、284.200 kN，增量比为9.79%、15.93%；拆17号索工况，16号索的索力增量最小，分别为132.20 kN、228.041 kN，增量比为6.29%、10.85%。

随着索离跨中越来越远，主梁竖向位移、正应力逐渐减小，双塔对称换8根索，主梁竖向位移更大，下缘正应力储备更小。拆20号索工况，主梁竖向位移最大，分别为-83.40 mm、-174.960 mm；拆18号索工况，主梁下缘正应力储备最小，分别为0.039 MPa、3.117 MPa。双塔对称换8根索，下缘正应力较大，且在拆20—15号索工况，下缘均出现拉应力。主梁竖向位移较小的拆18号索工况，下缘正应力反而更大，可能与主梁在18号索处的纵向预应力钢束布置有关。

单塔对称、双塔斜对称更换4根索，随着索离跨中越来越远，主梁腹板主拉应力，逐渐减小。拆20号索工况，主拉应力最大，为1.081 MPa；拆5号索工况，主拉应力最小，为0.135 MPa。双塔对称换8根索，主拉应力均处于较小值，表明上、下游对称换索，可以极大地减小扭转效应。

3.2.2.3　4—1号索换索方案

将4—1号索的换索方案进行比选，主要考虑桥塔附近，索距突变及梁端边界条件的影响。更换4—1号索工况，索力、主梁位移及内力变化如图14—图17所示。

更换4—1号索过程中，索力增量均逐渐增大，单塔对称换4根、双塔先后换索，索力增量更大。拆4号索工况，3号索的索力增量分别为157.359 kN、245.712 kN，增量比为13.55%、21.16%。拆1号索工况，2号索的索力增量最大，分别为396.022 kN、973.372 kN，增量比为29.24%、71.87%，此工况下，2号索的应力分别为590.45 MPa、785.15 MPa，新索钢丝的抗拉强度标准值为1 770 MPa，安全系数分别为3.00、2.25，均满足规范要求。

随着索距离桥塔越来越近，主梁竖向位移、正应力逐渐增大，单塔对称换4根、双塔先后换索，主梁竖向位移更大，下缘正应力储备更小。拆1号索工况，主梁竖向位移最大，桥塔处竖向位移分别为-50.903 mm、-140.612 mm，同时下缘正应力储备最小，桥塔处下缘正应力分别为-7.758 MPa、0.455 MPa；拆4号索工况，主梁竖向位移最小，4号索处竖向位移分别为-17.660 mm、-37.219 mm，同时下缘正应力储备最大，4号索处下缘正应力分别为-16.620 MPa、-14.326 MPa。

单塔对称、双塔斜对称更换4根索，随着索离桥塔越来越近，主梁腹板主拉应力，逐渐增大。拆1号索工况，1号索处主拉应力最大，为4.046 MPa，桥塔处主拉应力为2.763 MPa。拆4号索工况，4号索处主拉应力最小，为0.707 MPa。单塔对称换4根、双塔先后换索，主拉应力均处于较小值。

3.2.3　换索方案确定

合理的换索方案，首先须保证换索过程桥梁结构受力安全^［14］，其次是换索方案施工实施可行，换索工期最短。换索方案对比分析如下。

长索区采用单塔对称换2根索方案1，中长索区采用单塔对称、双塔斜对称换4根索方案1，索力增量、主梁竖向位移显著减小，主梁下缘正应力储备更大，正应力最大值分别为1.275 MPa、0.039 MPa，腹板主拉应力最大值分别为0.900 MPa、1.081 MPa，均小于C50混凝土抗拉强度设计值1.83 MPa；短索区采用单塔对称换4根，双塔先后换索方案2，避免同时更换8根索，现场施工组织难度较大^［16］，索力增量最大时安全系数为2.25，主梁下缘正应力最大值为0.455 MPa，小于限值，主拉应力极大减小。全桥换索采用以上方案，换索过程中拉索、主梁各项受力指标均满足要求，能保证结构受力安全，换索方案可行。同时，长、短索区斜拉索分布距离远，换索产生的荷载效应不会形成叠加，采用长、短索两塔上、下交错同时施工，可以较大程度上缩短施工工期。

4 结 语

本文结合郧县汉江公路大桥全桥换索工程实例，在分析换索前现状索力的基础上，将全桥换索划分为三段，分别提出两种换索方案，研究分析各区段不同换索方案，在换索过程中拉索索力，主梁竖向位移、应力的变化特征。主要结论如下：

（1） 长索区采用单塔对称换2根索方案，中长索区采用单塔对称、双塔斜对称换4根索方案，短索区采用单塔对称换4根、双塔先后换索方案，各项指标均能满足要求，换索方案可行。表明合理的换索方案，能充分发挥拆索后索梁的共同受力能力，确保桥梁受力安全。

（2） 结合不同区段换索方案的荷载效应特点，可将长、短索区换索方案进行组合，采用长、短索两塔上、下交错同时施工，可极大地缩短换索工期。

（3） 随着斜拉索使用年限增长，其耐久性问题导致斜拉桥不得不换索，研究大跨度斜拉索合理的换索方案，对缩短施工工期，保证换索过程安全、换索目标状况合理，具有重要的指导意义，可供同类换索工程参考借鉴。

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