橋梁拉索的破損安全改造

蔡明

（深圳市市政設(shè)計研究院有限公司，廣東 深圳 518029）

1 橋梁拉索拆換

橋梁拉索破斷統(tǒng)計表明，目前還不可能指望其與橋梁設(shè)計時限相同；亦即在橋梁的全壽命周期內(nèi)，拉索將多次拆換或破斷。以致‘兩年一檢測，十年一拆換’幾為成例。然而，這樣是否就能排除拉索的驟斷的可能？理論上和實(shí)踐上均未見有依據(jù)的、經(jīng)過證明獲得實(shí)踐支持的肯定回答[1-9]。

1.1 橋梁拉索的拆換及問題

考查橋梁拉索的拆換，其基本情況如下：

1.1.1 橋梁拉索拆換的費(fèi)用很高

圖1所示的拱橋建成于1994年，跨徑L=120m，為交叉雙吊桿提籃拱結(jié)構(gòu)，全橋建造總造價為六百余萬元（合同價為五百余萬元）。近期對吊桿進(jìn)行了換拆，其費(fèi)用統(tǒng)計分析如表1所列。

（1）換索總費(fèi)用高達(dá)740萬元，為全橋當(dāng)年總造價(600萬元)的一倍以上。其中索具費(fèi)用僅占14%；施工臨時設(shè)施費(fèi)用達(dá)30%，鐵路安全費(fèi)用達(dá)54%，此兩項之和高達(dá)80%以上。

（2）當(dāng)不計(或不存在)鐵路安全費(fèi)用時，如表1中括號內(nèi)的數(shù)據(jù)，則施工臨時設(shè)施費(fèi)用為70%，索具費(fèi)用為30%。

近期在成都市區(qū)內(nèi)，一座鋼管混凝土桁架平行肋拱橋，正在拆換吊桿和系桿，耗時一年多，其施工費(fèi)用，不致比表1的實(shí)例少。

簡言之，在橋梁拉索拆換中，施工費(fèi)用是主要的，占(70～80)%左右；索具的費(fèi)用約為（14～30）%。

圖1 L=120 m的拱橋吊桿拆換之實(shí)景

表1 L=120 m拱橋吊桿拆換費(fèi)用分析一覽表

1.1.2 拉索驟斷毀橋的修復(fù)費(fèi)用更高

拉索驟然破斷、橋梁受損后的修復(fù)費(fèi)用，可為當(dāng)年拉索造價的幾十倍，為全橋當(dāng)年造價的1倍以上。此類情況，見諸于國內(nèi)外文獻(xiàn)者，不乏實(shí)例，亦即拉索驟斷毀橋的修復(fù)的費(fèi)用更高。

1.2 存在的問題

圖1所示的拱橋的拉索拆換，耗時經(jīng)年，費(fèi)用幾可與建橋總造價相比擬，問題還在于：

（1）拆換后的拉索沒有杜絕驟然破斷，拆換以后的拉索何時可能破斷或者何時再換，下次如何拆換，耗費(fèi)將是多少，不得而知。

（2）管理的無奈，橋梁管理者出于職責(zé)，采取“兩年一檢測，十年一拆換”，在目前的情況下，固然不失為一種措施。

但是，這樣就安全了嗎？現(xiàn)有的檢測診斷技術(shù)[9]，能保證在此十年的拆換周期內(nèi)，拉索不致驟然破斷？顯然，目前尚未從根本上解決橋梁拉索的安全問題。

1.3 橋梁拉索的安全性研究

1.3.1 拉索健康檢測與診斷

美國明尼阿波利斯市密西西比河大橋，經(jīng)明尼蘇達(dá)大學(xué)土木工程系基于健康監(jiān)測，得出“近期不必因疲勞問題而提前進(jìn)行大橋的更換”；一家獨(dú)立咨詢公司在研究后也認(rèn)為，大橋“遭受關(guān)鍵性疲勞損傷的可能性很小”。于是，公路管理部門將大橋的更換工作安排到了2020年，并將兩年一次的檢測周期縮短為一年一次。

孰料，大橋卻于2007年8月，在只有半幅通車的情況下垮塌了。事實(shí)否定了健康監(jiān)測、評估的結(jié)論。因此文獻(xiàn)[9] 提出了“不要過高預(yù)期橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)”的忠告。

（1）拉索的壽命不能確定，文獻(xiàn)[3] 指出，“壽命預(yù)測為非確定性的統(tǒng)計量”“很難或者根本不可能把它歸結(jié)為單一的數(shù)值”，亦即橋梁拉索的破斷壽命，并不能唯一確定。這是問題的性質(zhì)所決定的。

因此，迄今橋梁拉索的驟然破斷未能杜絕。

（2）橋梁拉索破斷機(jī)理的研究，目前關(guān)于橋梁拉索的驟斷，提出了諸多論斷，并據(jù)以采取結(jié)構(gòu)措施。諸如“短吊桿破斷”、基于“靜力強(qiáng)度的破斷”解釋、“溫差循環(huán)破斷”、“雙吊桿的安全性和利于拆換”等，事實(shí)果真如此嗎，斷索實(shí)例對此提出了尖銳的質(zhì)疑[8]。

1.3.2 橋梁拉索破斷的本質(zhì)

橋梁拉索失效的本質(zhì)，為隨機(jī)作用下的腐蝕疲勞及多種因素的耦合。因此：

腐蝕疲勞＞[腐蝕＋疲勞] 的作用結(jié)果。

腐蝕疲勞，與載荷環(huán)境（大小、方式、時間等）相關(guān)，也與介質(zhì)環(huán)境（如大氣、應(yīng)力、污染）相關(guān)；既包括通常理解的化學(xué)作用，也包含機(jī)械作用及其耦合。

結(jié)構(gòu)耐久性，結(jié)構(gòu)服役，是其剩余強(qiáng)度（壽命）的消耗過程，拉索的剩余壽命是衡量耐久性的指標(biāo)。

剩余強(qiáng)度，為計及損傷折減后的即時結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因此：

1.4 破損安全拉索系統(tǒng)

破損安全拉索（Failuer Safety Cable=FSC）系統(tǒng)研究，歷時五年多，冀在實(shí)現(xiàn)[6-8]：

斷索不毀橋，允許橋梁拉索隨時破斷；拉索破斷橋梁不致受損或垮塌，通過設(shè)計保證，獲得了實(shí)驗(yàn)證明。

實(shí)時在線拆換，在不中斷交通的情況下拆換拉索；拆換勿須通常換索的臨時支撐，較現(xiàn)有的拆換節(jié)省70%～80%的費(fèi)用。

不依賴于壽命預(yù)測，橋梁拉索隨斷隨換，不依賴于健康檢測與診斷，只需一般性的檢查、維護(hù)。

2 拱橋吊桿的破損安全改造

作為FSC研究的應(yīng)用，本文將討論在橋梁拉索拆換時的破損安全改造。即探討既有拉索拆除后，換用FSC系統(tǒng)，而非恢復(fù)原狀。目的在于拆換后的拉索實(shí)現(xiàn)斷索不毀橋。

2.1 改造示例1：交叉雙吊桿的FSC改造

這里將討論圖1所示拱橋吊桿系統(tǒng)的破損安全改造，以便與傳統(tǒng)吊桿拆換（圖1和表1）相比較。

改造原則，對既有橋梁的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、受力不作大的改變，實(shí)現(xiàn)拉索系統(tǒng)的破損安全。

改造方案，基于文獻(xiàn)[6-7] “以應(yīng)力差實(shí)現(xiàn)壽命差”的原則，構(gòu)建FSC系統(tǒng)。對于圖1所示雙吊桿拱橋，擬采用圖2的FSC改造系統(tǒng)。

圖2 L=120 m 拱橋FSC系統(tǒng)布置示意圖

原吊桿系統(tǒng)在每一節(jié)點(diǎn)處為對稱交叉的、截面相同的雙吊桿。吊桿節(jié)點(diǎn)為圖3所示的A型節(jié)點(diǎn)和圖4所示的B型節(jié)點(diǎn)。

為使系統(tǒng)成為破損安全的，這里取二吊桿（S1和 S2）的應(yīng)力 σ1和 σ2的比值 σ1/σ2＞1。當(dāng)?shù)鯒U對稱于豎向布置的傾角為θ、吊桿材料相同時，需取兩桿的截面A2＞A1。

圖3 FSC之A型節(jié)點(diǎn)示意圖

圖4 FSC之B型節(jié)點(diǎn)示意圖

為了實(shí)現(xiàn)S1破斷時，S2不致破斷，橋梁不受損毀，經(jīng)破損安全分析(過程從略)，宜取A2=2A1。

破損安全改造后的FSC系統(tǒng)，所用材料與費(fèi)用統(tǒng)計分析如表2所列，表中／右側(cè)的數(shù)據(jù)為通常吊桿的拆換費(fèi)用，取自表1。

改造討論，分析和比較通常的吊桿拆換 （圖1、表 1）與改造后的 FSC 吊桿系統(tǒng)（圖 2、表 2），可以得出以下認(rèn)識：

表2 L=120 m拱橋吊桿FSC改造費(fèi)用分析一覽表

（1）FSC吊桿系統(tǒng)，具有斷索不毀橋、吊桿（S1）破損預(yù)警、實(shí)時在線拆換的功能。

（2）FSC吊桿系統(tǒng)，勿需憂慮吊桿驟斷，具有安全感，不需要“兩年一檢測，十年一拆換”。

（3）吊桿隨斷隨換，斷一根換一根，不必一次全換，拆換的數(shù)量和費(fèi)用大大小于現(xiàn)行吊桿系統(tǒng)。

（4）采用FSC系統(tǒng)對現(xiàn)行吊桿進(jìn)行拆換改造，與通常的恢復(fù)原狀的拆換，其平均單價分別為9.40和7.96（萬元／根），前者的費(fèi)用僅高18%。

（5）以現(xiàn)行橋梁設(shè)計規(guī)范評估，F(xiàn)SC吊桿系統(tǒng)的安全系數(shù)均不小于規(guī)范的要求。

2.2 改造示例2：平行雙吊桿的FSC改造

圖5 橋跨結(jié)構(gòu)圖

圖5所示，跨徑L=148 m的鋼管混凝土桁架肋拱橋，原設(shè)計為平行的、二桿截面相同的雙吊桿系統(tǒng)。

現(xiàn)討論吊桿系統(tǒng)的破損安全改造。其主要成果及分析如表3所列。方案要點(diǎn)如下：

表3 FSC吊桿改造方案及分析一覽表

（1）F及S索，F(xiàn)SC系統(tǒng)布置如圖6的右圖，索端錨固取用圖7的B型構(gòu)造。

（2）承載索F，吊桿截面與原設(shè)計相同為61?7，索粗 ?77；安全索 S，截面取為 121?7，索粗 ?103，以K件實(shí)現(xiàn)S與F索運(yùn)營承載內(nèi)力相等。

圖6 吊桿布置圖

圖7 節(jié)點(diǎn)大樣圖

（3）設(shè)計內(nèi)力，原設(shè)計單索內(nèi)力為879 kN，即組合Ⅱ（恒載＋掛車的內(nèi)力，安全系數(shù)為4.46）。

（4）斷索工況，在FSC系統(tǒng)中，當(dāng)F索破斷瞬時，沖擊系數(shù)為1.63；計及斷索沖擊對S索的作用，加上S索原有受力后的等效內(nèi)力為2.63×879，則斷索瞬時的安全系數(shù)為3.36；F索退出工作后，S索承受節(jié)點(diǎn)的全部設(shè)計載荷，其安全系數(shù)為4.42。

上述斷索工況的分析、論證等將見另文。

2.3 改造示例3：豎直單吊桿的FSC拆換改造

國內(nèi)拱橋的吊桿和斜纜多為單索，其FSC改造也是可能的。且為項目研究的主攻點(diǎn)之一，在可以預(yù)期的將來，有望取得研究和實(shí)驗(yàn)成果。

目前若沿用示例1和示例2的思路方法，亦可實(shí)現(xiàn)其FSC改造：即在橋道和拱肋上均用圖7之B型節(jié)點(diǎn)，布置傾斜的FSC吊桿系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)改造，詳見文獻(xiàn)[7] 。

3 結(jié) 語

至此，本文研究了傳統(tǒng)雙吊桿和單吊桿的FSC改造，其原理、方案亦可用于新建拱式橋梁的吊桿設(shè)計。改造后的橋梁吊桿系統(tǒng)，從根本上解決了現(xiàn)行吊桿不可預(yù)測的驟然再斷毀橋和隨斷隨換問題；其拉索成本僅增加18%左右，而日后的斷一根換一根，以及實(shí)時在線、幾無臨時設(shè)施的拆換，將較一次傳統(tǒng)的吊桿拆換，節(jié)省70%～80%的費(fèi)用。

基于破損安全拉索的設(shè)計思想，進(jìn)行拱橋的吊桿系統(tǒng)的拆換改造，本文僅以示例介紹方法和結(jié)果，表明FSC吊桿系統(tǒng)的安全功能、技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性。沿此理論和方法，改造吊桿的方案不是唯一的，可以根據(jù)不同的條件，提出具有同樣功能的吊桿或系桿系統(tǒng)。