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朱战良
（广东冠粤路桥有限公司 广州市 510630）
摘 要：广东九江大桥（斜拉桥）的拉索病害调查、新索设计、换索施工工艺、调索方案比选及计算、调索工艺等。九江大桥在国内首次实现了在不中断交通的情况下完成换索，成功地实现了部分调索。这对于今后类似的换索工程，有一定的借鉴作用。
关键词：斜拉桥；换索；调索；施工
广东九江大桥(斜拉桥，下同)是325国道上的一座特大型桥梁，位于广东省南海市九江镇与鹤山市杰洲之间，跨越珠江水系西江主干流。桥梁全长1675.2米，桥面宽16米，其中：主跨为2×160米独塔斜拉桥，采用塔、梁、墩固结体系。塔、梁、墩均为等截面。塔为H型截面，设计时考虑了调索和换索的问题，可以在不搭设脚手架的情况下进行调索和换索，塔高80米（自桥面起），梁身为单箱四室结构，梁高2.5米。
斜拉桥拉索采用平行钢丝外加PE保护层结构形式，共有两种规格，即85f7、91f7，钢丝为普通预应力钢丝，设计强度为1600MPa，其外的护套为低密度聚乙烯材料，加入了碳黑防光、热老化，设计老化寿命为30年。两端锚具为冷铸镦头锚。
图1 九江大桥斜拉桥总体布置图
桥梁设计荷载为汽-20，挂-100。于1985年9月开工，1988年6月正式建成通车。
1 病害情况调查
在九江大桥运营了十多年后，对主桥斜拉桥进行了全面检测，检测范围包括梁、拉索、索力和箱梁体外索等。经检查发现：近70%的拉索PE护层有不同程度的损坏，严重的已有剥落现象并有大量钢丝锈渣，个别PE护套内甚至有水流出，最严重的钢丝断丝已达1/3数量，且两端锚头锈蚀严重；索力与设计索力有较大偏离；梁体未发现大的结构性裂纹，箱梁体外索保护较好，未发现开裂现象。分析以上病害的原因，主要是由于：（1）拉索施工时为现场制索，工艺粗糙，施工时保护措施不力，导致索体有先天性的损伤，进而加速了PE护层的老化、破坏和钢丝的锈蚀；（2）拉索护层采用低密度聚乙烯（PE），钢丝采用普通预应力钢丝，锚头未作防锈处理，导致拉索抵抗锈蚀的能力严重不足。
根据检查发现的病害情况，为确保大桥的结构安全，决定分两次进行拉索更换，首先对钢丝锈蚀最严重的11根索进行更换，再对其余的87根损坏拉索进行更换，对43根PE护层有细微裂缝和伤痕的，进行修补。
2 新索设计
2．1新索的结构
新索采用高强镀锌钢丝，抗拉强度≥1600Mpa，钢丝相互平行、顺直并拢经大节距绞和、绕包，并在外挤包高密度聚乙烯（PE），两端锚具均为张拉端锚具，锚头为冷铸镦头锚，锚具各部件表面作镀锌防锈处理。在工厂标准化制作经预张拉后成盘包装而形成成品索。新索
规格与旧索相同，仍为85、91丝两种规格。
2.2 新索长度的计算
对需更换的拉索，在制作新索时要重新确定其长度，以满足更换后索力与线型的协调。新索索长的计算在原设计索长的基础上，根据旧索张拉端锚头外露量或垫板富余量、新旧拉索的弹性模量差以及新旧锚头几何尺寸变化等因素进行修正。
3 换索施工工艺
3.1 换索顺序
鉴于九江大桥为密索型结构，且箱梁刚度较大，经计算在确保结构安全的情况下，决定采用拉索逐根更换和“全松——全紧”的方案。换索期间，限制交通量，索力和标高监测时，全桥短暂封闭交通。施工控制以标高和索力双控，整个换索期间对全桥进行全面监控。换索过程中，不改变原有索力和标高。
换索顺序定为：九江岸下游、湛江岸下游、湛江岸上游、九江岸上游。
3.2 卸索工艺
卸索包括以下工作内容：
1、准备工作：安装牵引卷扬机和工作挂篮，设置收（放）索滚轮和索盘，清除梁端锚头钢护筒内混凝土，打开塔端锚头的锚盖，除锈后涮机油防锈，安装千斤顶、张拉杆、软牵引等张拉设备。
2、松张拉索：张拉至锚头大螺母稍有松动，油表读数即为实际索力，并进行两次松张对照，差别不大时方可进行卸索，记下油表读数；分级卸载，每级放松1~5cm，放松时密切监控两侧标高；当卸至大螺母与锚头连接剩下4～5个螺纹时，卸下千斤顶等张拉设备，安装软牵引装置，继续进行放松至索力小于5t止。
3、卸除拉索：待拉索放松后，在索端头处安装夹具，用卷扬机水平和竖直方向牵拉滑轮组将索吊住，开动卷扬机缓缓收紧钢丝绳至软牵引装置完全松弛后，卷扬机停止牵引，拆除软牵引装置；利用卷扬机将索徐徐放下，并将拉索放在滚轮上；进入梁端工作挂篮，拆除固定端螺母，将拉索下锚头从钢护筒中抽出，固定在空索盘上开始收盘，收好盘后运出现场。
3.3 挂索工艺
挂索按与卸索相反工序进行，但需注意以下方面：
1、新索运抵工地后，要进行验收核对，堆放时采取防潮措施，并盖帆布防雨，编号待用。
2、新索在桥面展开、拖动时，要避免索体与桥面接触，防止拉索在拖动中划伤防护层，另外在安装夹具时也应做好防护措施，以免损伤索体。
3.4 换索过程的标高监测
在换索过程中，对更换索索位标高进行换索前、卸下旧索、换上新索三个阶段的标高监测，测量时采取短暂封闭交通的措施。
因环境温度对主梁的变形也有影响，为此在换索前应针对温度变化对主梁的变形作调查，找出两者之间的关系后加以修正。
3.5 换索过程的索力监测
索力的测定采用多通道随机振动法索力仪。按确定的换索方案，换索后新索索力与原索力保持一致，这是换索过程中索力监控的目标值，也是换索过程中索力监测的依据。
经计算和测试，某根索的前后各5对索对该索的索力变化具有较大的敏感性，因此换索前对待换索前后各5对索进行索力测试，作为换索的目标值，换索后使这些临近索的实测索力与换索前索力的误差在规定的范围以内即可。
3.6 减振器的安装
为抑制拉索振动产生较大的振幅，降低拉索的疲劳损坏，换索时在拉索两端安装了阻尼式减振装置（如图2）。
图2 发泡料及阻尼器位置示意图
3.7 锚头的防护
对未更换的拉索，用钢丝刷将锚头锈蚀清除并用清洁济清洗，然后涂防锈漆，上、下锚头再喷塑膜作防护；全部梁上固定端钢护筒，同样涂防锈漆后，安装防护罩（俗称“将军帽”）以起到防护和美观的作用。
4 调索方案比选及其索力优化计算
九江大桥于1988年建成通车后，由于部分索力不均衡、收缩徐变以及二期恒载等，主桥箱梁在1988年5月至1989年4月间发生一定的沉降变形。故1990年对全桥进行了一次调索，调索后结构评估为：“挠度复位，索力均匀，结构处于较佳的工作状态，且索力、主梁内力和索塔内力均处于安全工作范围内”。在接下来的十年内，桥面进行过一次厚为3cm的沥青混凝土铺装，重约3200 。
经本次换索后对主桥桥面标高和索力的测量，与90年调索后相比有较大变化，其中挠度变化最大为湛江岸10号索所在截面，下降49mm，索力也有不同程度的变化。从成桥后的实际状态和90年调索的情况来看，90年调索后的主梁受力状态（内力）为最佳。因此，此次调索以90年调索后的桥面标高为基本目标，调索以拉索索力和标高双控为原则，通过调索使主梁的标高接近90年调索后的标高值，以改善主梁线形，同时使结构实际内力与90年调索后的内力相接近，从而使桥梁的受力状态更理想。
由于九江大桥为直线对称结构，调索须对称进行，即同索号的8根拉索同时进行调索。考虑到施工方便，调索自从下而上的顺序进行，直到全桥索力、标高达到调索的设计要求。
4.1 调索计算
九江大桥索力调整及优化计算采用平面杆系计算模型，结构只有X-Y平面上的位移、内力和自由度。主塔的两塔柱合二为一，面积和惯性矩为单柱的2倍，同侧的同号4根拉索合成一根粗拉索，拉索截面积和恒载索力为单根拉索的4倍。主梁、塔和墩固接，边墩铰接（Y方向位移约束）。全桥划分59节点，94单元。
斜拉桥的调索计算方法有多种，如影响矩阵法、倒拆法、逼近法（又叫试算法），此次调索计算采用逼近法。
如图3所示，主梁换索后线型为实线，虚线为90年调索后线型，也就是本
次调索的目标值，要使主梁由现在线型（实线）抬高到目标线型（虚线），全桥各索力如何调整，下面简要介绍求解方法。
图3 目标线型与实际线型示意图
4.1.1节点力的求解
设各拉索锚固点标高与目标值标高之差为 ， 为斜拉索总根数。
第一次初步给各拉索两端一个沿拉索方向相向的节点力 ，并令：
（4-1）
式（4-1）中：
——拉索弹性模量；
——同一截面上4根拉索截面积之和；
——为拉索长度。
将 作为载荷作用到结构上，对全桥求解，可得到相应的各拉索位置的竖向位移 ，再将 与 比较，令：
（4-2）
第二次重新给各拉索两端一个沿拉索方向相向的节点力 ，此时令：
（4-3）
将 作为载荷作用到结构上，对全桥求解，再次得到相应的各拉索位置的竖向位移 ，再将 与 比较，令：
（4-4）
第三次再给各拉索两端一个沿拉索方向相向的节点力 ，此时令：
（4-5）
将 作为载荷作用到结构上，对全桥求解，从而得到相应的各拉索位置的竖向位移 ，再将 与 比较，此时令：
（4-6）
重复上述工作，直到 （ 为试算的次数），则 即为使拉索锚固点达到目标标高而在拉索两端需施加的节点力。为了节省篇幅，以下将 写作 。
4.1.2 索力的求解
通过上述试算得到了一批集中力 ，可以使主梁拉索锚固位置的标高达到或接近目标标高。由于斜拉桥结构为高次超静定结构，理论上说，主梁的每一根拉索索力发生变化，都将会引起全桥内力重分布。所以还要考虑施工顺序对目标值的影响。即按照施工顺序施工，千斤顶对拉索进行张拉时各千斤顶张拉力为多少，全桥调索完毕后桥面标高达到或接近目标值。
设调索前第 根索索力为 ， 为其调索后索力变化值， 为 ～ 节点处单位力存在的基础上在 节点上施加单位力对第 根索的影响。那么，按照调索顺序，各索索力影响将满足以下方程组：
（4-7）
将式（4-7）消去两端的 ，并写成如下的矩阵形式：
（4-8）
式（4-8）中，
对于一般情形，第 根拉索张拉前， ～ 号拉索已经张拉完毕，它们对第 根拉索都有影响，而第 ～ 号拉索尚未张拉，对第 根拉索没有影响，此时第 根索的索力为：
（4-9）
也就是说，当第 根拉索张拉时，螺母刚松动时千斤顶的力就是（4-9）式的代数和。
现在在第 节点处施加力 后，对第 根索本身有影响 再加上 本身就是第 根拉索张拉时所需张拉的最终索力：
（4-10）
当继续张拉以后的拉索时，每张拉一根拉索都会对第 根拉索有影响，全部拉索张拉完后，第 根拉索的最后内力为：
（4-11）
就是调索前后第 根拉索的索力最终增量。
4.1.3 施工中拉索被拉出长度
施工过程拉索被拉出长度 包括两个部分：拉索索力增加引起的弹性伸长 和主梁、主塔发生变形引起的拉索轴线方向的长度变化 见图4。即：
（4-12）
图4 计算索伸长用图
施工时拉索索力增量： ,即式（4-10）与式（4-9）之差。故：
（4-13）
式（4-13）中， 为斜拉索的长度。
根据变形相容条件，主梁和主塔在力 作用下的变形（沿拉索轴线方向） 的变形将与第 根拉索的变形相等。而此过程第 根拉索由于主梁和主塔在 作用下的变形引起的索力变化为 ，那么，其变形为
（4-14）
将式（13）、（14）代入（12），可得施工过程拉索被拉出长度：
（4-15）
以上所提到的各拉索位置的节点力 、施工过程中千斤顶拉动螺母刚松动的力、千斤顶张拉各索的最终索力以及全桥调索完毕后各索索力都可通过BRCAD软件在计算机上求得。
4.2 调索方案
九江大桥为直线对称结构，调索可以对称进行，即同索号的8根索同时进行调索。调索计算中同时比较了两种方案：即全桥调索方案和部分调索方案。全桥调索方案按1号到18号的顺序进行，对全桥所有的索的内力都重新调整。部分调索方案则根据九江大桥的特点，只调6～13号索。这主要是考虑到九江大桥的主梁为一单箱四室箱梁，其惯性矩较大（约7.6m3），1～5号索和14～18号索的内力变化对桥面标高的影响较小，即桥面标高的变化主要是由于6～13号索的索力变化所引起的。比较全桥调索方案和部分调索方案可以看出，部分调索方案调索数量较少，调整索力的幅度不大，并且能达到与全桥调索方案相似的结果。因此，施工方案应采用部分调索方案。
5 调索施工
5.1 调索工艺
调索采用8台千斤顶，对同索号的8根拉索同时进行调索，按照调索程序从下到上的顺序进行调索。整个调索工艺流程如图10所示。
图5 调索工艺流程图
整个调索过程中，若该索张拉前、后的索力仪读数之差（增量）与千斤顶的油表读数之差（增量）均控制在±5%以内，则认为该索的此轮调索过程结束，移至下一根拉索，重复此过程。全桥调索完毕后，复测全桥标高和索力，标高与理论计算结果进行比较，控制在±10mm以内，全桥线型达到或接近90年线型，索力不出现异常，则整个调索过程结束。
5.2 调索过程中的标高复核和索力监测
5.2.1 标高复核
由于调索过程要维持正常的交通运营，只能短暂的封闭交通，调索前的标高复测采用两台精密水准仪，分别架设在桥的上下游边进行测量，测量时短暂封闭交通，每封闭一次测量3～4个测点，如此反复进行直至全桥标高测量完毕。
调索过程中，由于调索时所调节的量较小，标高的变化只有在调完一定数量的拉索后才有所反映，故标高测量只作复核，不作监控。即当调索至6号、10号、15号拉索时，在夜间（温度影响相对较低）分别测量6号、10号、15号拉索处的标高，与理论计算结果进行比较。全桥拉索调索完毕后，在夜间对全桥测量一次标高（与换索后/调索前全桥标高复测方式相同），整理出结果永久保存。
5.2.2 索力监测
采用多通道索力仪对拉索的索力进行监测。具体步骤是：每组拉索调索前进行索力测试，调索过程中对张拉千斤顶的张拉吨位进行监控，检查千斤顶的张拉吨位是否足够。否则，应调整千斤顶的张拉吨位。全桥拉索调索完毕后，测全桥索力，全桥调索完毕后进行全桥拉索索力复测。
调索调至第9号索时和全桥调索完毕后，组织技术人员对箱梁内部进行检查，检查箱梁是否出现开裂。
5.3 调索后的结构状况
5.3.1 主梁挠度
调索后与调索前相比，主梁整体上升，上下游基本相等。九江岸下游侧9号索所在断面上升达25mm；湛江岸下游侧10号索所在断面上升最大达36mm。调索后标高接近90年标高，比计算的目标值低10mm左右，这可能是由于计算时对主梁和拉索的刚度取值误差造成的。
5.3.2 主梁挠度变化
与90年相比，调索前后的主梁挠度列于图6和图7。
A—与90年相比调索前挠度偏差
B—与90年相比调索后挠度偏差
图6 九江岸主梁挠度调索前后变化（mm）
A— 与90年相比调索前挠度偏差
B— 与90年相比调索后挠度偏差
图7 湛江岸主梁挠度调索前后变化（mm）
5.3.3 调索后索力变化
索力调整以后，各拉索索力进行了重新分布。6～13号索索力比原索力均大，其他索索力基本上比原索力小，这与计算结果相符。调索后九江岸总索力为128193 kN（调索前为128405 kN），湛江岸为129153 kN（调索前为128977 kN），湛江岸索力比九江岸大960kN，相差0.7%。调索后全桥总索力与调索前总索力之差为-36 kN，这也与理论计算结果相符合。
6 结论
（1）根据斜拉桥的实际情况，换索施工控制采用索力、标高双控的施工方法和“全松——全紧”的方式，可极大地提高换索施工效率，且换索过程中桥梁的受力状态明确；
（2）调索计算采用逼近法，操作简单，易于控制，目标明确，可以不考虑环境温度的影响；在调索的顺序有变化的情况下，最终索力仍是唯一的，因此施工顺序可以更加灵活，前提是施工阶段主梁弯矩图在其包络图范围内。
（3）对于调索方案要多做研究，以便能根据桥梁本身的特点进行施工。九江大桥采用了部分调索的施工方案，在索力调整不大的情况下，达到了和全桥调索方案相近的效果，其工作效率有了很大的提高。
（4）斜拉桥的防腐问题是长期的，要从防护和换索两个方面来进行研究。九江大桥在本次换索之后，仍有46根索没有更换，再加上新索可能会有些松驰变形，所以仍需对大桥进行长期监测。
斜拉桥的防腐问题，是世界性的难题。和悬索桥相比，其防腐效果是很难令人满意的。近些年来，随着斜拉桥数目的不断增多，其换索问题也势必越来越突出，越来越令人关注。因而，对斜拉桥换索工程做些研究，积累些经验，是十分有益的。即使是将来斜拉桥的防腐问题得到了长期的解决，其解决问题的方法，对于偶然情况下斜拉桥发生局部破坏时，仍然是有意义的。
参考文献
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[2] 刘士林，梁智涛，侯金龙等．斜拉桥．人民交通出版社．2002
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[5] 赵超燮．结构矩阵分析原理．人民教育出版社．1982
[6] 洪锦如．桥梁结构计算力学．同济大学出版社．1998
[7] 项海帆．高等桥梁结构理论．人民交通出版社．2001年
作者简介 朱战良 男 本科 高级工程师 联系电话 13302255368 020-38731327
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