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看江阴大桥是怎么换索的?

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龙行天下 发表于 2019-8-20 17:52:43 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题

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近年来,随着我国交通事业的迅猛发展,修建了许多大跨度、特大跨度桥梁跨越峡谷、海峡、陆岛和大江大河。悬索桥是跨越能力最大的桥型之一,而吊索作为悬索桥的主要传力构件,为纤细构件,在不同环境中对于损伤是最为敏感的构件。材料性质、使用环境和施工等因素,空气中的氧化气体以及雨水等进入索体,易造成钢丝的腐蚀;车辆荷载、风荷载、雨振风振等动力作用,导致索体钢丝承受循环荷载作用,导致其疲劳失效,因此,吊索的寿命远小于桥梁结构的寿命。例如,英国克莱夫顿大桥曾经更换过长吊索和短吊索,如图1所示。

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图1a 英国克莱夫顿大桥长吊索更换
2009年,江阴大桥由于短吊索轴套磨损异响的问题,已经对52根短吊索(钢丝绳)进行了更换,并形成了成熟安全的“单吊点”施工工艺。但是由于长吊索(平行钢丝)的特殊性,采用同样的更换技术,在松弛同样索力的情况下,必然会导致更大的应力场变化,损伤主缆和主梁,从而影响结构安全。大桥自1999年建成通车,距今已19年,而吊索设计寿命为25年,为了进行技术储备和可能出现的应急维修,有针对性地分析研究长吊索更换技术具有非常重要的意义,可以为大桥运营后期的长吊索批量更换提供依据。

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图1b 英国克莱夫顿大桥短吊索更换

计算荷载 建立模型

江阴大桥主跨1385米,是国内首座跨径超千米的特大型钢箱梁悬索桥,1994年开工建设,1999年10月建成通车。大桥吊索采用销接式,全桥布置170个吊点,每个吊点有两根吊索,共340根吊索,并在每一个吊点的钢箱梁耳板位置设计了预留孔,方便后期吊索更换。其中长度大于10m的长吊索(1#~33#及54#~85#)采用带PE护套的平行钢丝索股,索股由109根5.0mm镀锌高强钢丝构成;长度小于10m的短吊索(34#~53#)采用80IWRC钢丝绳加PE防护套。吊索上、下锚头均为叉形热铸锚,由锚杯与叉形耳板构成,锚杯内浇铸锌铜合金,叉形耳板与锚杯用螺纹连接。

根据吊索内部锈蚀断丝病害检测结果,大桥下游19#N吊索存在渗水现象,疑似锈蚀。所以此次针对下游19#N吊索更换进行有限元分析,该吊索为Φ5-109平行钢丝拉索,长46.99m,设计恒载索力73t,具体位置如图2所示。


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图2 更换吊索位置图

计算荷载

根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)除对施工阶段进行控制计算外,使用阶段分别针对不同构件进行不同组合,当汽车、温度荷载与恒载效应组合时,均为选择性组合,即不利时参与组合,有利时不参与组合。

根据分析,得出最不利载荷组合为:
D+L1+W+T(+)
吊索更换过程模拟均按此组合情况进行计算。
D:恒载

L1:车辆活载(汽车-超20)
T(+):
钢构件:升温30℃,降温30℃
混凝土构件:升温30℃,降温30℃
温度梯度:索塔温差及加劲梁横向温差荷载均按10度考虑。
W:横桥向风荷载

主梁风荷载仅计算横桥向风力。根据江阴大桥设计文件,大桥主梁横向风载设计风速为27.1m/s,参考《公路桥涵设计规范》,主梁横向风载可取4.064kN/m。

有限元模型

通过MIDAS建立了江阴长江大桥三维模型,共建立1555个节点,1039个单元,主缆、吊索采用索单元模拟,主缆采用单梁模拟,主塔采用变截面梁单元模拟,如图3所示。

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图3 有限元模型

工况分析


为尽量减少对桥梁永久结构的影响,避免在吊索锚固区进行开孔、焊接等作业,吊索更换时,均考虑利用预留孔,在永久吊索旁安装临时索夹及临时吊索,通过张拉临时吊索的方式,完全释放更换吊索索力后进行拆除更换。
跨中短吊索部分可以通过单个临时吊点提升的方式完成更换,随着吊索长度的增加,吊索弹性伸长同步增加,单个临时吊点提升难以完成吊索更换,因此,考虑在更换吊索两侧对称增加临时吊索提升。针对19#N吊索设计以下两种工况。

“三吊点”吊索更换受力分析


在下游18#、19#、20#吊索处安装临时索夹及临时吊索,如图4所示。张拉临时吊索,在19#吊索索力卸载后拆除,验算临时吊索、吊索、主缆、主梁等的变形、受力状况,以及索夹的抗滑安全系数。

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图4 三吊点吊索更换示意图

(1)吊索索力


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从上表可知,临时吊索最大索力近240t,临时吊索对下游吊索、主缆及主梁影响较大,对上游吊索、主缆及主梁影响较小。
临时吊索加载后,定义吊索索力减幅大于5%的为影响区域,因此,临时吊索影响区域为下游16#~22#吊索区域。

(2)下游19#吊索附近主缆及主梁位移

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如表4和表5所示,主缆下拉,主梁上提,相对位移达到了0.116m。恒载下19#吊索弹性伸长为0.085m,相对位移比19#吊索弹性伸长量大0.031m,大于19#临时吊索恒载至最不利组合载荷下的弹性伸长0.006m。因此,即使在最不利组合载荷下,需要更换的19#吊索仍被压缩了6mm,可以被顺利地更换下来。
综上,主缆及主缆的竖向位移也显示临时吊索对下游吊索、主缆及主梁影响较大,对上游吊索、主缆及主梁影响较小,且影响区域为下游16#~22#吊索区域。


(3)索夹抗滑验算

根据《公路悬索桥设计规范》(JTG/T D65-05-2015),取摩擦系数0.15,紧固压力分布不均匀系数2.8,18#~20#索夹共8颗高强螺栓,单根螺栓预紧力76.3t。即使不考虑临时索夹所提供的抗滑力,仅永久索夹在螺栓复拧到位的情况下,其抗滑安全系数均大于3,详见表6,满足规范要求。

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“五吊点”吊索更换受力分析

考虑到“三吊点”最大临时吊索力接近240t,梁端临时吊索耳板应力较大,在下游17#、18#、19#、20#、21#吊索处安装临时索夹及临时吊索,并张拉临时吊索,在19#吊索索力卸载后拆除,验算临时吊索、吊索、主缆、主梁等的变形、受力状况以及索夹的抗滑安全系数。

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图5 五吊点吊索更换示意图

(1)吊索索力

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综上,临时吊索最大索力约205t,临时吊索对下游吊索、主缆及主梁影响较大,对上游吊索、主缆及主梁影响较小。
临时吊索加载后,我们定义吊索索力减幅大于5%的为影响区域,因此,临时吊索影响区域为下游15#~23#吊索区域。

(2)主缆及主梁位移

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如表10和表11所示,主缆下拉,主梁上提,相对位移达到了0.11m,恒载下19#吊索弹性伸长为0.085m,相对位移比19#吊索弹性伸长量大0.025m,大于19#临时吊索恒载至最不利组合载荷下的弹性伸长0.002m。因此,即使在最不利组合载荷下,需要更换的19#吊索仍被压缩了2mm,可以被顺利地更换下来。
综上,根据主缆及主缆的竖向位移,临时吊索对下游吊索、主缆及主梁影响较大,对上游吊索、主缆及主梁影响较小,且影响区域为下游15#~23#吊索区域。

(3)索夹抗滑验算

根据《公路悬索桥设计规范》(JTG/T D65-05-2015),取摩擦系数0.15,紧固压力分布不均匀系数2.8, 17#~21#索夹共8颗高强螺栓,单根螺栓预紧力76.3t,即使不考虑临时索夹所提供的抗滑力,仅永久索夹在螺栓复拧到位的情况下,其抗滑安全系数均大于3,详见表12,满足规范要求。


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钢箱梁耳板应力分析

钢箱梁耳板预留孔的安全是吊索更换能否成功的关键,在“三吊点”和“五吊点”情况下,临时吊索的最大索力分别为240t和205t。利用ANSYS建立耳板有限元模型,将临时吊索力施加在耳板孔上半曲面(半径55mm,厚80mm),得到耳板孔的应力云图如图6和图7所示。从图中可知,尽管两种工况下耳板最大应力均达到323MPa,但是在“五吊点”情况下,应力较大区域的面积明显小于“三吊点”。

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图6 “三吊点”耳板应力云图(MPa)
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图7 “五吊点”耳板应力云图(MPa)

在不中断交通情况下,采用“三吊点”时,临时吊索索力最大为240t,索夹抗滑安全系数最小为4.6;采用“五吊点”时,临时吊索索力最大为205t,索夹抗滑安全系数最小为4.7,并且钢箱梁耳板应力较小,通过同步张拉5根临时吊索释放被更换吊索的索力,然后进行吊索更换,具有较大的安全储备。



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本文刊载 /《大桥养护与运营》杂志2019年 第2期 总第6期作者 / 孙洪滨作者单位 / 江苏扬子大桥有限公司
编辑 / 陈晖美编 / 赵雯
责编 / 陈晨审校 / 盛超 廖玲
转载自《桥梁杂志》微信号



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