懸索橋錨索拉桿更換設(shè)計(jì)研究

張建平，胡林洲

（貴州宏信創(chuàng)達(dá)工程檢測咨詢有限公司，貴州 貴陽 550014）

0 引言

懸索橋是靠兩岸索塔上錨固的纜索受拉體系為主要承重構(gòu)件的橋梁。其通過吊桿傳遞荷載至主纜系統(tǒng)，主纜承受荷載后再傳遞到兩岸錨碇結(jié)構(gòu)，其力的傳遞路線明晰。

主纜錨固體系屬于懸索橋中極其重要的一部分，對于施工時(shí)的精度有非常高的要求，并且還要承受極大的主纜系統(tǒng)傳遞來的拉力。同時(shí)，在施工過程中，錨固系統(tǒng)的施工也是非常重要的工序之一。錨固系統(tǒng)通常分成預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)和錨桿式型鋼錨固系統(tǒng)[1]。錨桿式型鋼錨固系統(tǒng)由錨桿和后背梁兩個(gè)主要構(gòu)件組成，主纜系統(tǒng)索股與錨桿連接，最后在混凝土錨固塊中澆筑了整個(gè)型鋼框架。預(yù)應(yīng)力錨固體系則由索股連接件系統(tǒng)和預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)兩個(gè)主要部件構(gòu)成，經(jīng)由連接件系統(tǒng)使得預(yù)應(yīng)力筋和主纜索股相互連接在一起。此前預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)和錨桿式型鋼錨固系統(tǒng)都成功地應(yīng)用在了國內(nèi)的懸索橋中。

至今為止，國內(nèi)還未出現(xiàn)對于預(yù)應(yīng)力錨固體系的規(guī)范或者標(biāo)準(zhǔn)要求，因此懸索橋錨固系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)樣式較多，并且暴露出了其中存在的某些亟須解決的問題[2]。本文分析了預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)中索股連接件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工中存在的問題，針對其拉桿斷裂綜述了拉桿更換維修處置方案，提出了拉桿斷裂更換設(shè)計(jì)中的施工及監(jiān)測要求、防腐措施及材料性能要求等，供工程應(yīng)用參考，指導(dǎo)借鑒作用顯著。

1 工程概況

某主橋跨徑為636 m 的鋼桁梁單跨懸索橋，主纜跨徑組成為192 m+636 m+192 m，橋梁全長964 m。兩主纜之間的中心間距為28.0 m，采取預(yù)制的平行鋼絲束股，矢跨比為1/10.5。每一根主纜由91 根索股組成，每一股索股的高強(qiáng)鍍鋅鋼絲規(guī)格數(shù)量為φ5.1-91，其抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 770 MPa。主纜錨固系統(tǒng)則由索股連接件系統(tǒng)和預(yù)應(yīng)力鋼絞線兩個(gè)主要部件構(gòu)成，主纜索股通過散索鞍，然后再通過錨固連接件將荷載傳遞到處于混凝土錨體中的預(yù)應(yīng)力鋼絞線上。

橋梁結(jié)構(gòu)總體布置如圖1 所示。主纜錨固系統(tǒng)布置如圖2 所示。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)總體布置圖（單位：cm）

圖2 主纜錨固系統(tǒng)布置圖

運(yùn)營階段通過對懸索橋定期檢查發(fā)現(xiàn)，東錨左側(cè)錨室內(nèi)60#連接拉桿斷裂1 處，且相鄰拉桿彎曲變形，可能是由于：（1）施工安裝時(shí)拉桿位置安裝定位誤差比較大，使得拉桿產(chǎn)生不均勻受力；（2）拉桿制造時(shí)工藝控制不穩(wěn)定，拉桿材料的力學(xué)指標(biāo)未達(dá)到設(shè)計(jì)要求?，F(xiàn)場拉桿斷裂病害缺陷圖如圖3 所示。

圖3 現(xiàn)場拉桿斷裂病害及缺陷圖

針對拉桿斷裂維修處治方案如下：首先核實(shí)前錨面處預(yù)應(yīng)力錨固連接器的錨點(diǎn)位置與設(shè)計(jì)位置是否相符。若錨點(diǎn)位置正確，則對東錨左側(cè)錨室內(nèi)60#已經(jīng)斷裂的拉桿及已經(jīng)發(fā)生彎曲變形的拉桿（共2根）及其組件進(jìn)行更換。在更換之前，必須對錨頭及鋼絲做進(jìn)一步檢查。

2 索股連接件系統(tǒng)的局限性

預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)主要組成部分可以分為索股錨固連接器和預(yù)應(yīng)力鋼束錨固系統(tǒng)[3]。索股錨固連接器主要組成部分可以分為拉桿組件、連接器構(gòu)件以及其他組成構(gòu)件。錨具、鋼絞線、管道及錨頭防護(hù)帽等主要組成部分構(gòu)成了懸索橋預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)。拉桿前端與主纜索股相互連接在一起，而拉桿的另一端則與索股連接器相互連接，由此完成了主纜系統(tǒng)與混凝土錨塊中的預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)的相互轉(zhuǎn)化。

設(shè)計(jì)及施工索股連接件系統(tǒng)時(shí)的問題及局限性主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

（1）設(shè)計(jì)時(shí)安全系數(shù)偏小。通常主纜索股、索股連接件等在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)該按照小于2.5 的安全系數(shù)來考慮，而實(shí)際設(shè)計(jì)圖紙中往往出現(xiàn)小于2.0 的安全系數(shù)的情況。

（2）連接器結(jié)構(gòu)形式多種多樣。索股連接器通常設(shè)計(jì)為整體和分體這兩種形式。整體式連接器安裝定位便捷快速，但加工制造較難。分體式連接器在缺少連接件時(shí)安裝定位比較復(fù)雜，但是加工制造時(shí)比較方便。

（3）原材料使用不統(tǒng)一。如拉桿組件，有40CrNiMoA、40Cr、35CrMnSiA、35CrMo 等多種材料。

（4）檢驗(yàn)要求不合理。零件有時(shí)要求射線探傷，但對鍛造件并不適用，實(shí)際操作較難。

3 拉桿更換設(shè)計(jì)

3.1 拉力分級張拉設(shè)計(jì)

預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)中采用位于拉桿上的平墊圈、六角及鎖緊螺母等對主纜錨頭和拉桿相互連接并固定在一起，采用球面螺母及墊圈、鎖緊螺母同連接器的平板相互連接并固定在一起[4]。為提升拉桿的疲勞性能，拉桿、螺母螺紋等材料的性能全都采取軍用MJ 標(biāo)準(zhǔn)，連接器的平面位置可以使用球面墊圈及螺母來調(diào)節(jié)誤差，使得索股的軸線方向同拉桿的中心位置處于一條直線上，預(yù)防由于偏心受力而產(chǎn)生次應(yīng)力，并設(shè)計(jì)鎖緊螺母預(yù)防動(dòng)荷載作用工況下螺母產(chǎn)生影響。

為了便于在施工中進(jìn)行控制，明確在更換拉桿過程中拉力分級張拉。拉桿更換首先要求拉桿方向均與其對應(yīng)的索股方向一致，預(yù)應(yīng)力鋼絞線對應(yīng)于索股的發(fā)散布設(shè)方向。本項(xiàng)目單根拉桿的永存拉力為533 kN，應(yīng)該采用分級進(jìn)行張拉。本次張拉分3 級進(jìn)行張拉，每次張拉150 kN，并且每次張拉后需對錨頭、鋼絲、拉桿進(jìn)行檢查。若發(fā)現(xiàn)異常，必須立刻暫停拉桿張拉，并找到相應(yīng)的解決方案后才可繼續(xù)下一步?，F(xiàn)場拉桿更換及張拉如圖4、圖5 所示，拉桿更換設(shè)計(jì)施工程序如圖6 所示。

圖4 現(xiàn)場拉桿更換圖

圖5 現(xiàn)場張拉圖

圖6 拉桿更換設(shè)計(jì)施工程序圖

3.2 拉桿更換監(jiān)控要點(diǎn)

拉桿更換監(jiān)控可以保證施工宏觀質(zhì)量及安全。更換過程中，可以指導(dǎo)施工、進(jìn)行安全預(yù)警及優(yōu)化施工過程，根據(jù)現(xiàn)場結(jié)構(gòu)實(shí)際狀態(tài)對施工過程各方面做出及時(shí)調(diào)整，并監(jiān)測監(jiān)控整個(gè)施工過程，防止誤差累積，保證結(jié)構(gòu)安全與穩(wěn)定。

為保證拉桿更換施工質(zhì)量，本設(shè)計(jì)明確應(yīng)加強(qiáng)施工過程中的數(shù)據(jù)監(jiān)控。施工過程中，必須嚴(yán)格對過程中數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，監(jiān)控?cái)嗔褜?yīng)索股及錨拉桿，也要監(jiān)控相鄰索股的拉力，防止對鄰近索股產(chǎn)生較大影響，影響結(jié)構(gòu)安全，且監(jiān)控根數(shù)不得少于10 根，并要實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)嗔牙瓧U的變位情況。

錨固系統(tǒng)中的主要構(gòu)件包括拉桿、聯(lián)結(jié)器、螺母及墊圈，需要加大質(zhì)量管理力度，嚴(yán)格進(jìn)行檢查，因此對錨固系統(tǒng)拉桿及其組件的無損檢測做出要求：每一個(gè)構(gòu)件都需要逐個(gè)編號，并進(jìn)行百分之百的聲探以及百分之三十的射探。如果Ⅱ級合格，構(gòu)件的表面需要進(jìn)行磁探，然后建立構(gòu)件檔案。在出廠前，構(gòu)件要求封裝時(shí)使用塑料密封，而且要求必要的措施來保證在運(yùn)送和儲(chǔ)存時(shí)不會(huì)受損或發(fā)生銹蝕。

3.3 拉桿防腐措施

對懸索橋錨固系統(tǒng)的防腐研究及措施包括以下三點(diǎn)：（1）混凝土錨體及錨桿的防腐；（2）連接件系統(tǒng)的防腐；（3）錨固系統(tǒng)中纜索的防腐。大多數(shù)學(xué)者主要對混凝土錨體及錨桿進(jìn)行防腐研究，但是目前在連接件系統(tǒng)和錨固系統(tǒng)這兩個(gè)方面的防腐研究還比較少。

大量防腐研究表明：采用在前錨室內(nèi)放置抽濕的儀器，讓內(nèi)部濕度相對值小于50%[5]；并采取以下防腐措施：（1）在出廠前對構(gòu)件進(jìn)行一層法蘭防腐處置措施，在現(xiàn)場刷一道醇溶性無機(jī)硅酸底漆涂料。涂料為20 μm 的干膜厚度，經(jīng)過二次表面處理后，再涂一道改性厚漿環(huán)氧面漆，涂料為100 μm 的干膜厚度。（2）向預(yù)應(yīng)力管道及錨頭保護(hù)罩內(nèi)灌防腐性的油脂，并且通過前錨面觀察窗查看防腐油面。

本次拉桿更換完成后，采用的防腐涂裝為：5 層75 μm 環(huán)氧富鋅底漆，5 層125 μm 環(huán)氧云鐵中間漆，5 層2×50 μm 氟碳面漆。具體見表1?，F(xiàn)場防腐措施如圖7～圖9 所示。

表1 拉桿防腐設(shè)計(jì)

圖7 拉桿底漆防腐涂裝

圖8 拉桿中間漆防腐涂裝

圖9 拉桿面漆防腐涂裝

3.4 材料性能要求

預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)如下：

（1）在靜荷載工況下的拉桿構(gòu)件抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)，安全系數(shù)不小于2.5。

（2）經(jīng)過200 余萬次的上、下限荷載不斷反復(fù)作用，拉桿組裝件的拉桿及螺母未出現(xiàn)裂紋，螺母在荷載作用下未發(fā)生松動(dòng)，螺紋在荷載作用下未發(fā)生變形。

（3）施加120%索股的設(shè)計(jì)荷載作用值時(shí)，連接件的變形最大值不超過0.5 mm。

（4）對于預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)錨具組裝構(gòu)件，其靜荷載錨固性能試驗(yàn)下錨具效率系數(shù)不小于95%，其破壞斷裂時(shí)的總應(yīng)變不小于2%。

在拉桿更換時(shí)，錨固系統(tǒng)錨索拉桿及其組件應(yīng)滿足如下材料性能要求：

拉桿更換過程中拉桿及螺母、墊圈分別使用40CrNiMoA 鋼材及40Cr 鋼材，其技術(shù)條件均應(yīng)符合《合金結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T 3077—2015）的有關(guān)規(guī)定，力學(xué)性能要求如下：

40CrNiMoA：cb=980 MPa，σs=835 MPa，δ5≥12%，ψ≥55%。

40Cr：cb=980 MPa，σs=785 MPa，δ5≥9%，ψ ≥45%。

4 結(jié)論

本文主要進(jìn)行懸索橋錨索拉桿更換設(shè)計(jì)研究，通過對某懸索橋錨固系統(tǒng)中連接件系統(tǒng)拉桿更換設(shè)計(jì)，明確了更換拉桿的拉力分級張拉，并且每次張拉后需對錨頭、鋼絲、拉桿進(jìn)行檢查，并要求加強(qiáng)施工過程中的數(shù)據(jù)監(jiān)控，且對拉桿更換的材料性能做出了明確要求，最后明確了拉桿更換完成后拉桿的防腐處理方案，保證了施工質(zhì)量，提升了橋梁營運(yùn)期間的安全防護(hù)能力，可以極大地減少運(yùn)營后期的維修成本。通過對此次拉桿更換進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，明確了拉桿更換技術(shù)的要點(diǎn)及注意事項(xiàng)，對營運(yùn)橋梁的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)工程和提升營運(yùn)橋梁的安全防護(hù)能力方面具有較大的參考價(jià)值。