斜拉橋換索準(zhǔn)則探討與研究
2018-04-23
1 引言
斜拉橋經(jīng)多年運(yùn)營(yíng)后，一般均需要進(jìn)行斜拉索更換或索力調(diào)整工作，以維持其設(shè)計(jì)使用功能。目前，國(guó)內(nèi)斜拉索更換主要有兩方面原因。一方面，一些斜拉索嚴(yán)重銹蝕，在橋梁運(yùn)營(yíng)過(guò)程中出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，嚴(yán)重危及橋梁的使用功能，所以必須進(jìn)行拉索更換，這是“剛性需求”。例如，1979年2月委內(nèi)瑞拉馬拉開(kāi)波橋有一根拉索由于腐蝕突然斷裂，當(dāng)局采取了緊急修復(fù)措施，更換了拉索，避免了可能發(fā)生的嚴(yán)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(shí)間點(diǎn)提前，即將本可以繼續(xù)使用的市政結(jié)構(gòu)納入維修加固項(xiàng)目中去。這樣雖然有助于城市面貌煥然一新，卻使得原本設(shè)計(jì)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(duì)國(guó)家資源的巨大浪費(fèi)。作為科研人員，應(yīng)當(dāng)秉承嚴(yán)謹(jǐn)、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)作出正確評(píng)判，為業(yè)主部門(mén)的決策提供科學(xué)依據(jù)。
此外，一些外表看似處于正常使用狀態(tài)的橋梁，似乎沒(méi)有換索的需要。但是，通過(guò)對(duì)橋梁各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，如對(duì)拉索銹蝕狀況、索力、橋面標(biāo)高等參數(shù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)后，代入模型，模擬橋梁運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，則有可能出現(xiàn)意想不到的結(jié)果，即部分拉索在最不利汽車(chē)活載工況作用下索力偏大，拉索安全系數(shù)明顯降低。由于斜拉橋是高次超靜定結(jié)構(gòu)，卸除結(jié)構(gòu)的某一構(gòu)件后，結(jié)構(gòu)仍然能夠保持靜定狀態(tài)，仍能繼續(xù)承載，但內(nèi)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(fù)擔(dān)的索力將轉(zhuǎn)移至鄰近拉索，使得這部分拉索的應(yīng)力水平提高，拉索安全系數(shù)明顯降低。而根據(jù)《公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTGTD65-1-2007）3.4條規(guī)定[3]，運(yùn)營(yíng)狀態(tài)斜拉索安全系數(shù)不應(yīng)小于2.5，施工狀態(tài)斜拉索安全系數(shù)不應(yīng)小于2.0。當(dāng)拉索截面積由于腐蝕而削減后，再進(jìn)行拉索的更換，極有可能由于部分拉索索力的安全系數(shù)超限，而使得換索過(guò)程難以進(jìn)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(mǎn)堂支架支撐橋梁，這將進(jìn)一步增加維修成本且?guī)?lái)不利的社會(huì)影響。
以上所述斜拉索使用及更換現(xiàn)狀可以歸納如圖1所示，所有出現(xiàn)拉索病害的斜拉橋，可以分為三類(lèi)，第一類(lèi)是已經(jīng)出現(xiàn)拉索斷裂情況的，這一類(lèi)固然要立刻進(jìn)行拉索更換；第二類(lèi)是拉索出現(xiàn)銹蝕，經(jīng)過(guò)分析判別后，必須更換拉索；第三類(lèi)是拉索出現(xiàn)銹蝕，經(jīng)過(guò)分析判別后，一段時(shí)間內(nèi)可以不進(jìn)行拉索更換，只需對(duì)拉索進(jìn)行除銹處理，從而維持拉索的設(shè)計(jì)使用壽命。通過(guò)這樣分類(lèi)，可以有效地運(yùn)用財(cái)政資源，提高橋梁的利用率。
從圖1可以看出，在拉索出現(xiàn)銹蝕病害而又未斷裂時(shí)（即圖中第二類(lèi)和第三類(lèi)情形），需要對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行判斷，從而確定是否需要對(duì)拉索進(jìn)行更換，以實(shí)現(xiàn)資源利用的最大化。
2 換索準(zhǔn)則的提出
首先，根據(jù)以往各種斜拉橋換索工程的準(zhǔn)備及實(shí)施情況，將斜拉橋換索工程決策及設(shè)計(jì)的一般性流程總結(jié)如下：
（1）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地結(jié)構(gòu)檢測(cè)，對(duì)斜拉橋全橋線(xiàn)形、主塔偏位、拉索銹蝕、拉索索力及結(jié)構(gòu)裂縫等進(jìn)行測(cè)量統(tǒng)計(jì)。
?。?）根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)有限元模型進(jìn)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(jù)實(shí)測(cè)線(xiàn)形，對(duì)墩臺(tái)沉降進(jìn)行模擬。
?。?）根據(jù)結(jié)構(gòu)安全評(píng)估結(jié)果，判定是否需要進(jìn)行拉索更換。若確定更換拉索，則進(jìn)行拉索更換設(shè)計(jì)。
?。?）根據(jù)橋址附近交通情況，確定合理的交通組織設(shè)計(jì)；根據(jù)結(jié)構(gòu)受力情況，確定合理的拉索更換順序。
?。?）根據(jù)已確定的換索設(shè)計(jì)以及當(dāng)?shù)刎?cái)政預(yù)算情況，確定是否需要修正換索設(shè)計(jì)。
換索工程決策及設(shè)計(jì)的一般性流程圖如圖2所示。
圖中①表示當(dāng)換索期間結(jié)構(gòu)安全驗(yàn)算不通過(guò)時(shí)，可通過(guò)調(diào)整換索順序，調(diào)整換索期間結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形。②表示當(dāng)工程概算大于財(cái)政預(yù)算時(shí)，可以通過(guò)再次調(diào)整換索順序，優(yōu)化換索過(guò)程，提高施工效率，從而實(shí)現(xiàn)工程概算最小化。③表示當(dāng)工程概算大于財(cái)政預(yù)算時(shí)，亦可先進(jìn)行銹蝕較嚴(yán)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(cái)政年度預(yù)算。
從圖2可以看出，在換索工程決策及設(shè)計(jì)的一般性流程中，影響因素主要有3個(gè)，即社會(huì)影響、結(jié)構(gòu)安全、工程概算。這三點(diǎn)分別從社會(huì)角度、安全角度及經(jīng)濟(jì)角度對(duì)拉索更換這一行為進(jìn)行鑒別，從而以最小的社會(huì)成本完成換索，保證結(jié)構(gòu)的安全。
三者互相影響，互相制約，但最終都可以通過(guò)調(diào)整換索順序達(dá)到一種平衡。而結(jié)構(gòu)安全始終是放在第一位權(quán)衡的因素，因?yàn)橹挥性诮Y(jié)構(gòu)安全的前提下，其他所有的問(wèn)題才有討論的意義。從圖2可以看出，結(jié)構(gòu)安全與否的判斷，主要體現(xiàn)在換索決策初期的結(jié)構(gòu)安全評(píng)估以及換索方案設(shè)計(jì)時(shí)的結(jié)構(gòu)安全驗(yàn)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(jié)構(gòu)是否安全，需要有相關(guān)的判定依據(jù)，而目前斜拉橋相關(guān)規(guī)范均未對(duì)既有斜拉橋結(jié)構(gòu)安全評(píng)判作具體說(shuō)明。因此，本文針對(duì)結(jié)構(gòu)安全這一要素，探討是否可以找尋一個(gè)量化的參數(shù)，作為結(jié)構(gòu)安全的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而作為斜拉橋換索的換索準(zhǔn)則，使得斜拉橋換索的決策過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)化、科學(xué)化。
3 換索準(zhǔn)則的確定
3.1 換索準(zhǔn)則的作用
換索準(zhǔn)則是指斜拉橋換索工程決策和設(shè)計(jì)過(guò)程中的判定標(biāo)準(zhǔn)和原則。其主要作用包括：
?。?）判定一座斜拉索橋是否需要進(jìn)行拉索更換；
（2）判定斜拉橋各種換索方案的優(yōu)劣與否。 換索準(zhǔn)則的提出，是為了使斜拉橋換索工程的決策過(guò)程科學(xué)化和標(biāo)準(zhǔn)化。避免決策過(guò)程的含混不清，盲目片面。從而發(fā)揮結(jié)構(gòu)最大的工作效能，避免了國(guó)家資源的浪費(fèi)。
3.2 控制參數(shù)的選取
對(duì)于運(yùn)營(yíng)數(shù)年的舊斜拉橋來(lái)說(shuō)，一般能進(jìn)行精確識(shí)別的除了結(jié)構(gòu)線(xiàn)形外，就是拉索索力，并且索力對(duì)結(jié)構(gòu)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(jù)《公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則》中3.4條規(guī)定，運(yùn)營(yíng)狀態(tài)斜拉索的安全系數(shù)不應(yīng)小于2.5，施工狀態(tài)斜拉索的安全系數(shù)不應(yīng)小于2.0。據(jù)此，我們可以將拉索索力作為換索準(zhǔn)則的控制參數(shù)，具有可靠的理論依據(jù)。
3.3 控制參數(shù)閾值的確定
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)，考慮拉索的銹蝕情況，對(duì)斜拉橋當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行模擬，若斜拉索在活載最不利工況下的安全系數(shù)超出了《公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則》中規(guī)定的限值2.5，則可以判定，拉索需要進(jìn)行更換。再者，對(duì)當(dāng)前斜拉橋進(jìn)行換索工況模擬（即換索施工過(guò)程模擬），若施工過(guò)程中斜拉索的安全系數(shù)超出了《斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則》中規(guī)定的限值2.0，則應(yīng)修改換索方案，并重新進(jìn)行驗(yàn)算，直至滿(mǎn)足要求。
綜上所述，本文初擬定換索準(zhǔn)則為：運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下拉索安全系數(shù)必須大于2.5，如果不滿(mǎn)足，則應(yīng)進(jìn)行拉索更換；換索施工過(guò)程中拉索安全系數(shù)必須大于2.0，如果不滿(mǎn)足，則應(yīng)調(diào)整換索方案。
4 工程實(shí)例
4.1 工程概況
為了驗(yàn)證上文所提出的換索準(zhǔn)則的實(shí)用性，本文以浙江省上虞市人民大橋?yàn)槔U述該準(zhǔn)則的具體使用流程。人民大橋?yàn)楠?dú)塔雙索面斜拉橋，全橋共112根斜拉索，每個(gè)索面由兩排拉索構(gòu)成，模型建立時(shí)，為簡(jiǎn)化換索步驟，將雙排拉索合并成一排拉索，合并后，全橋共計(jì)56根拉索，拉索依次由東往西上游編號(hào)1#～28#，下游編號(hào)29#～56#。
2011年，由于地區(qū)安全事故頻發(fā)，當(dāng)?shù)厥姓芾聿块T(mén)為了防患未然，組織相關(guān)單位對(duì)全橋進(jìn)行了結(jié)構(gòu)檢測(cè)與安全評(píng)估。為了防止橋梁運(yùn)營(yíng)過(guò)程中出現(xiàn)斷索現(xiàn)象，需對(duì)該橋是否需要換索進(jìn)行評(píng)判。本文采用前述換索準(zhǔn)則，對(duì)人民大橋進(jìn)行了分析研究。
4.2 結(jié)構(gòu)當(dāng)前狀態(tài)評(píng)估
首先，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的各斜拉索銹蝕情況，統(tǒng)計(jì)銹蝕部位的長(zhǎng)度l，銹蝕深度t，以及銹蝕寬度d，從而對(duì)拉索截面積予以折減，進(jìn)而求得當(dāng)前運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下拉索的安全系數(shù)。
通過(guò)對(duì)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(shù)（如圖3、圖4所示），可以發(fā)現(xiàn)，該橋在活載最大工況下，拉索安全系數(shù)已經(jīng)低于限值2.5。且考慮計(jì)算模型中的汽車(chē)荷載是按照85規(guī)范選取，而實(shí)際該橋位于交通要道，車(chē)流量較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)當(dāng)年的設(shè)計(jì)荷載等級(jí)，因而實(shí)際拉索的安全系數(shù)將進(jìn)一步降低。
4.3 換索方案確定
為充分說(shuō)明換索準(zhǔn)則在換索方案比選中的作用，本文設(shè)計(jì)了四個(gè)換索方案：
（1）關(guān)于橋塔對(duì)稱(chēng)，先由長(zhǎng)至短更換上游拉索，再由長(zhǎng)至短更換下游拉索；（2）關(guān)于橋塔對(duì)稱(chēng)，先由短至長(zhǎng)更換上游拉索，再由短至長(zhǎng)更換下游拉索；（3）關(guān)于橋塔對(duì)稱(chēng)，由長(zhǎng)至短上、下游同步換索；（4）關(guān)于橋塔對(duì)稱(chēng)，由短至長(zhǎng)上、下游同步換索。
分別根據(jù)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(shù)繪制成折線(xiàn)圖，如圖5～圖6所示?？梢钥闯?，方案3和方案4的拉索安全系數(shù)明顯比方案1和方案2的拉索安全系數(shù)小，原因在于這兩種方案上下游同時(shí)更換，使得拉索卸除后，鄰近索分擔(dān)的荷載較前兩種方案多，因而索力較大，拉索安全系數(shù)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(yán)重，最終造成二者的安全系數(shù)偏低，分別達(dá)到2.3和2.4，考慮到換索期間如果半封閉交通，則結(jié)構(gòu)驗(yàn)算時(shí)應(yīng)考慮汽車(chē)活載產(chǎn)生的拉索索力變化，通過(guò)對(duì)本橋進(jìn)行試算，活載效應(yīng)占恒載效應(yīng)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(yīng)為恒載效應(yīng)的10%。則拉索安全系數(shù)最小可至2.1，可以看出，該值已經(jīng)很接近規(guī)范規(guī)定的施工階段拉索安全系數(shù)2.0的下限。
因此，若封閉交通，即上下游同時(shí)施工，則方案3較方案4的拉索安全系數(shù)大一些，應(yīng)作為理想的換索方案；若不封閉交通，即上下游先后進(jìn)行換索，方案1較方案2的拉索安全系數(shù)大一些，是合理的換索方案。
4.4 控制參數(shù)的閾值修正
《斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則》之所以將施工階段的拉索安全系數(shù)定為2.0，作者認(rèn)為一方面由于結(jié)構(gòu)處于組建階段，預(yù)應(yīng)力筋未張拉齊全，鋼結(jié)構(gòu)之間也未充分錨固，整體協(xié)同受力能力不強(qiáng)，節(jié)段自重基本由節(jié)段內(nèi)拉索承擔(dān)，造成索力應(yīng)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(yīng)力水平，故將拉索安全系數(shù)的閾值設(shè)定較低。
而在換索實(shí)施期間，結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為一個(gè)整體，且沒(méi)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(shù)的限值，不符合實(shí)際，主觀上造成拉索應(yīng)力幅較大，降低了拉索的疲勞抗力，故應(yīng)將換索施工期間的安全系數(shù)從2.0適當(dāng)提高。再者，由于大多數(shù)斜拉橋換索工程都是在不封閉交通的情況下實(shí)施，因此進(jìn)行施工過(guò)程驗(yàn)算時(shí)一般應(yīng)考慮汽車(chē)活載的影響，相對(duì)于運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下的拉索安全系數(shù)驗(yàn)算，換索施工時(shí)的結(jié)構(gòu)更脆弱一些，故可以考慮將換索施工期間的拉索安全系數(shù)由運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的2.5適當(dāng)降低。通過(guò)對(duì)人民大橋換索工程實(shí)施期間的結(jié)構(gòu)進(jìn)行試算，本文建議取折中數(shù)值2.3作為換索期間拉索安全系數(shù)的閥值。
5 結(jié)語(yǔ)
本文通過(guò)對(duì)比分析目前斜拉橋換索工程實(shí)施的現(xiàn)狀，提出影響換索工程決策的幾個(gè)關(guān)鍵因素：社會(huì)影響、結(jié)構(gòu)安全和工程概算。本文針對(duì)結(jié)構(gòu)安全這一因素，探討是否可以找尋一個(gè)量化的參數(shù)，作為結(jié)構(gòu)安全的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而作為斜拉橋換索的評(píng)判準(zhǔn)則，使得斜拉橋換索的決策過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)化、科學(xué)化。最終通過(guò)對(duì)主梁、主塔截面應(yīng)力，拉索安全系數(shù)，以及主梁、主塔位移三個(gè)控制參數(shù)比選分析，確定拉索安全系數(shù)作為換索準(zhǔn)則的控制參數(shù)。并通過(guò)一項(xiàng)工程實(shí)例，介紹了換索準(zhǔn)則的具體實(shí)施方法。在此期間，對(duì)拉索安全系數(shù)閥值的選取進(jìn)行了探討分析，并給出修正值。
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