[科普中國]-斜索

斜索更換施工方法概述

斜拉橋的拉索更換是因?yàn)槔麂摻z的銹蝕或斷裂 , 必然導(dǎo)致拉索受力的重新調(diào)整 , 引起整個結(jié)構(gòu)的不安全甚至破壞。因此 , 對銹蝕拉索進(jìn)行更換是斜拉橋的常見工程。廣東省南海鎮(zhèn)九江大橋是325國道上的一座特大型獨(dú)塔斜拉橋,主跨為2×160m獨(dú)塔斜拉橋。拉索采用平行鋼絲外加黑色低密度聚乙烯 PE 保護(hù)層結(jié)構(gòu)形式。換索前的檢測發(fā)現(xiàn) , 大部分拉索的 P E 防護(hù)層出現(xiàn)開裂和剝落,鋼絲銹蝕嚴(yán)重,直接影響大橋的結(jié)構(gòu)安全。

1 換索前的施工準(zhǔn)備1 . 1 施工現(xiàn)場準(zhǔn)備

(1)搭設(shè)腳手架。舊拉索的拆除 , 新拉索的安裝、張拉施工均需要操作平臺。為便于人員上下和運(yùn)送材料, 在每個塔柱四周布設(shè)鋼管腳手架,支架材料采用 Φ 4 8 m m × 3 . 5 m m 的腳手架鋼管,全部支撐在承臺基礎(chǔ)上,在支架內(nèi)設(shè)置“ 之 ”字 型爬梯。為保證鋼管腳手架的穩(wěn)定 , 每隔 5 m 設(shè)一道夾持塔柱的水平橫聯(lián)。

(2)清理工作。

此項(xiàng)工作主要針對上錨杯、下錨箱、上下錨管的清理。首先 , 打開原上錨杯鋼護(hù)筒,清除黃油、舊鋼絲及銹跡。然后,對下錨箱外封鋼板氣割清除 , 利用空壓機(jī)配以風(fēng)鎬鑿除下錨箱內(nèi)的殘存混凝土。最后, 在上下錨箱清理工作完成后, 即著手對上、下錨管的清理。先拆除橡膠減振器, 鑿除混凝土索座 , 割除多余錨管 , 利用電鉆、風(fēng)鉆及鋼釬將錨管內(nèi)清理干凈 , 然后在底錨管和索管之間進(jìn)行防護(hù), 在接點(diǎn)處采取注塑防護(hù),嚴(yán)防雨水侵入。如果不進(jìn)行清理工作, 拉索上錨具卸不下來。因此, 此項(xiàng)工作需換索前完成。

(3)核對拉索參數(shù)。

當(dāng)塔和梁上的支架完成以后 , 打開拉索錨箱, 對拉索錨端的外露尺寸進(jìn)行測量,以便計(jì)算、復(fù)核拉索制作長度。

1 . 2 施工機(jī)械準(zhǔn)備

拉索更換工作需要的主要施工機(jī)械有卸索、掛索的連接器 , 張拉螺桿引出桿、張拉千斤頂及油泵、卷揚(yáng)機(jī)、油表、反力架,墊板等。監(jiān)測設(shè)備主要有索力儀和精密水準(zhǔn)儀。

1 . 3 施工監(jiān)控準(zhǔn)備

在換索工程中需要進(jìn)行全方位監(jiān)控 ,主要針對索力和標(biāo)高的監(jiān)控。在卸索和張拉新索的施工程序中 , 運(yùn)用索力儀和精密水準(zhǔn)儀等儀器對所換索及相鄰各索進(jìn)行索力監(jiān)測、對對應(yīng)位置處的橋面標(biāo)高位移進(jìn)行監(jiān)測,此外,還可以進(jìn)行梁底或塔根部的混凝土應(yīng)力監(jiān)測。

2 換索施工工藝2 . 1 卸除舊索

2.1.1 過程

在橋面安裝收(放)索輥道并設(shè)置索盤,并清除梁上錨頭鋼護(hù)筒內(nèi)混凝土 , 同時在索塔根部安裝卷揚(yáng)機(jī), 塔頂安裝定滑輪組,在梁上待換索位安裝懸臂掛籃。用卷揚(yáng)機(jī)將千斤頂?shù)踔了?, 在塔上張拉端錨頭上裝好張拉設(shè)備, 對拉索進(jìn)行松張。松張需進(jìn)行兩次松張對照 , 當(dāng)兩次油表讀數(shù)差別不大時可進(jìn)行卸索。卸索應(yīng)分級進(jìn)行, 卸索至大螺母與錨頭連接剩下 4 ～ 5 個螺紋時 , 卸下張拉設(shè)備,安裝軟牽引裝置,繼續(xù)進(jìn)行放松至索力小于5t。待拉索放松后,用卷揚(yáng)機(jī)牽引滑輪組吊索 , 緩慢收緊至軟索牽引裝置完全松弛后,拆除軟牽引裝置,用卷揚(yáng)機(jī)將索徐徐放下, 放在輥軸上。進(jìn)入梁身段錨固端的掛籃,拆除固定端螺母,用卷揚(yáng)機(jī)牽引將拉索下錨頭抽出。最后將端頭固定在空盤上收盤, 運(yùn)出現(xiàn)場。

2.1.2 注意事項(xiàng)

(1)卸索時, 應(yīng)特別注意記錄錨具大螺母松開時對應(yīng)的千斤頂油表讀數(shù) , 并進(jìn)行兩次放張,以便對照,差別不大時方可進(jìn)行卸索;

(2)卸索過程中,應(yīng)全過程跟蹤觀測梁頂面標(biāo)高變化, 并與理論計(jì)算值進(jìn)行對比,如有異常,應(yīng)立刻停止斜拉索卸索工作,待找出原因后方可進(jìn)行;

(3)卸索時,塔身兩岸應(yīng)對稱進(jìn)行 , 盡量保證主塔兩側(cè)受力平衡而不產(chǎn)生偏載。

2 . 2 新索安裝

2.2.1 過程

將新索吊至錨固段附近 , 放置長度與索長相近,用卷揚(yáng)機(jī)將拉索展開,平放在滾輪上。固定梁身段錨頭, 確定拉索吊點(diǎn)安裝夾具,將下錨杯放入下錨頭鋼護(hù)筒中,將下錨頭固定螺母安裝至指定位置。在距索端1 . 5 m 處安裝夾具 , 將拉索與卷揚(yáng)機(jī)連接緩慢提升拉索, 至錨頭鋼護(hù)筒附近。安裝軟牽引裝置, 直至能與新索相連接。安裝齒板和連接器,調(diào)整千斤頂與撐腳,將工具動錨卡緊。將轉(zhuǎn)換套與軟牽引連接器對正, 然后將連接器旋進(jìn)轉(zhuǎn)換套, 開始軟牽引張拉。鋼絞線慢慢收緊, 拉緊后拆除滑輪組吊鉤。千斤頂行程2 0 c m后 , 鎖定工具定錨 , 油泵回油 ,工具動錨回到原位。然后重復(fù)此程序, 直至拉索錨頭進(jìn)入鋼護(hù)筒并行進(jìn)至另一端露出3個螺紋 , 將固定螺母旋緊。卸除軟牽引裝置,安裝張拉設(shè)備。檢查無誤后開始張拉;兩側(cè)千斤頂同步逐級加載至舊索卸載噸位;測頻法復(fù)核索力及梁、塔測量, 調(diào)整索力至符合要求;擰上拉索螺母。

2.2.2 注意事項(xiàng)

(1)掛新索前用精密水準(zhǔn)儀對橋面高程進(jìn)行測量 , 測出拉索掛索前的橋面高程。

(2)新拉索展開時,用滾筒作為鋪墊,目的是保護(hù)拉索防護(hù)層不被劃傷或破壞。

(3)張拉新索應(yīng)緩慢、分級進(jìn)行;當(dāng)索力達(dá)到設(shè)計(jì)索力時 , 持荷 1 0 m i n , 此時需檢查更換的新索索力是否達(dá)到原有索力 , 橋面高程是否恢復(fù)到換索前的高程。當(dāng)確認(rèn)索力和高程恢復(fù)到原有的索力和高程時 , 即可進(jìn)行下一根拉索的更換。

2 . 3 換索順序

拉索逐根更換 , 并采取雙向?qū)ΨQ進(jìn)行方式, 即每次于塔柱兩側(cè)對稱各更換一束,更換完成以后 , 于另一塔柱兩側(cè)再對稱各更換一束, 交替進(jìn)行。同一索號更換完成后再進(jìn)行下一索號更換。在更換斜拉索時, 每束均按設(shè)計(jì)給定的索力進(jìn)行張拉錨定 , 待同一索號斜拉索全部束均更換完畢后 , 全部的束再同時張拉進(jìn)行索力調(diào)整 , 使其達(dá)到給定的索力。

3 換索后的索力調(diào)整拉索更換工程中主要監(jiān)控指標(biāo)是索力和橋面標(biāo)高 , 若對索力的大小及分布控制出現(xiàn)偏差 , 將會引起斜拉橋主梁內(nèi)力分布變化 , 有可能最終使結(jié)構(gòu)偏離原設(shè)計(jì)的理想狀態(tài),因此,換索后需進(jìn)行必要的索力調(diào)整。調(diào)索的計(jì)算方法主要有影響矩陣法、逼近法、數(shù)學(xué)規(guī)劃法等, 應(yīng)結(jié)合具體工程進(jìn)行選擇方案反復(fù)調(diào)整。調(diào)索的原則是應(yīng)兼顧主梁混凝土應(yīng)力、主梁線形以及塔位的變化。具體來講 , 調(diào)索應(yīng)使主梁的局部下?lián)嫌兴徑?, 盡可能接近竣工線形; 同時應(yīng)使主梁上、下緣混凝土應(yīng)力適度增減 , 避免產(chǎn)生過大的拉應(yīng)力 , 以保證主梁的安全。1

斜索錨固區(qū)空間應(yīng)力概述斜拉橋是由索、塔、梁組成的組合體系.在這種體系中, 斜拉索對主梁提供了中間的彈性支承作用, 使得主梁具有很大的跨越能力.因此, 保證斜拉索錨固可靠, 正確傳力, 是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵.在斜拉橋中, 索的錨固部位主要有兩處:其一是在主梁上, 另一是在塔體上.由于現(xiàn)代斜拉橋的橋塔已越來越多地采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu), 因此, 斜拉索在塔上的錨固構(gòu)造就成為工程設(shè)計(jì)中尤其需要關(guān)心的重大構(gòu)造細(xì)節(jié)問題.本文以實(shí)際工程為背景, 運(yùn)用光彈模擬試驗(yàn)技術(shù)和現(xiàn)代有限元分析軟件, 對混凝土橋塔的斜索錨固區(qū)段進(jìn)行了詳盡的空間應(yīng)力分析, 并對錨固區(qū)的受力特點(diǎn)進(jìn)行了分析探討.本文中分析所采用的斜拉橋, 其主塔設(shè)計(jì)為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu), 塔的外觀在橫橋方向呈倒Y形, 其上部獨(dú)柱部分為斜拉索錨固區(qū)段, 截面采用變截面空心箱形, 斜索穿過塔壁直接錨固在內(nèi)側(cè)箱壁之上.該橋的斜索采用單索面布置, 但在縱立面上的每根斜索則由橫向并列、中心間距為1.2m 的2 根索組成,在主塔兩側(cè)各有29 對斜拉索.在光彈模擬試驗(yàn)和有限元計(jì)算模型中, 僅取塔頂以下局部的錨固區(qū)段(兩側(cè)各有7對斜拉索).

1橋塔斜索錨固區(qū)段分析計(jì)算模型1.1分析思路

在斜拉橋斜索錨固區(qū)局部應(yīng)力分析中, 一般作法是先對整個結(jié)構(gòu)利用桿系有限元法進(jìn)行分析, 得出斷面的組合內(nèi)力和優(yōu)化的斜拉索力之后, 再取適當(dāng)?shù)木植繀^(qū)段進(jìn)行三維空間實(shí)體有限元分析和光彈模擬試驗(yàn).在本文的橋塔錨固區(qū)分析中, 所取的局部區(qū)段自塔頂以下兩側(cè)各有7對斜拉索, 可以保證中間斜索錨固區(qū)的應(yīng)力分布不受下端位移邊界效應(yīng)的較大影響.

1 .2 有限元計(jì)算模型

由于橋塔斜索錨固區(qū)段的構(gòu)造特點(diǎn), 有限元計(jì)算模型采用了高效的、8節(jié)點(diǎn)Wilson不協(xié)調(diào)塊體單元來模擬塔體, 并采用邊界單元來模擬位移邊界條件, 以提供計(jì)算反力, 進(jìn)行平衡驗(yàn)算.計(jì)算模型的網(wǎng)格生成、荷載和材料性質(zhì)以及邊界單元的導(dǎo)入, 全部由圖形界面的前處理程序完成, 并自動形成有限元計(jì)算所需的數(shù)據(jù).由于采用圖形輸入方式, 因而可以建立規(guī)模宏大、十分復(fù)雜的計(jì)算模型, 比較可靠地模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn).圖2為所取局部分析區(qū)段有限元計(jì)算模型的三維消隱網(wǎng)格圖形, 該模型共有5 824個塊體單元, 654個邊界單元和8 464個網(wǎng)格節(jié)點(diǎn), 求解方程總數(shù)達(dá)到24 586個.

2應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與分析2.1計(jì)算結(jié)果平衡驗(yàn)算

由于有限元分析規(guī)模較大, 為保證計(jì)算結(jié)果的可靠性, 必須進(jìn)行力的平衡驗(yàn)算.利用邊界單元輸出的反力, 可以對計(jì)算反力和外力進(jìn)行平衡驗(yàn)算.表1是計(jì)算反力與外力的比較結(jié)果, 從表中可見, 力的平衡條件得到了相當(dāng)好的滿足.此外, 還應(yīng)用典型剖面上的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果, 對剖面上的豎向內(nèi)力和水平兩個方向上的內(nèi)力與索力進(jìn)行了平衡驗(yàn)算, 結(jié)果表明, 內(nèi)外力的平衡誤差約為5.8%, 這表明內(nèi)外力的平衡條件也得到了很好的滿足.

2 .2 應(yīng)力集中分析

有限元計(jì)算結(jié)果和光彈試驗(yàn)表明, 橋塔斜索錨固區(qū)段的應(yīng)力集中部位主要出錨板下方.分析結(jié)果表明, 錨板下局部應(yīng)力集中的范圍較小, 其影響基本局限在錨板下方0.9 m(大致相當(dāng)于錨板的尺寸大小)的方塊以內(nèi), 錨下最大主壓應(yīng)力值為12.6MPa.由于錨下應(yīng)力集中區(qū)為三向受壓區(qū), 因此對預(yù)應(yīng)力混凝土橋塔結(jié)構(gòu), 只要采取適當(dāng)?shù)臉?gòu)造措施, 即可解決這種應(yīng)力集中問題.

2 .3 主壓應(yīng)力和最大剪應(yīng)力分析

在強(qiáng)大的斜拉索力作用下, 塔體內(nèi)一般會受到較大的壓應(yīng)力和剪應(yīng)力作用.計(jì)算結(jié)果表明, 分析區(qū)段塔內(nèi)最大的主壓應(yīng)力值為12.6 MPa ,塔內(nèi)最大剪應(yīng)力值為4.79 MPa ,塔內(nèi)較大的主壓應(yīng)力值大都出錨下應(yīng)力集中區(qū), 而較大的剪應(yīng)力值則出上下兩塊錨板之間和箱體截面角點(diǎn)處.這個結(jié)果表明, 橋塔采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)是一種很適宜的方案.

2 .4 水平向應(yīng)力分析

斜拉橋的橋塔在豎向以受壓為主.從有限元計(jì)算和光彈試驗(yàn)結(jié)果來看, 在斜索力作用下, 分析區(qū)段塔內(nèi)出現(xiàn)的豎向最大拉應(yīng)力值為2 .00 MPa ,壓應(yīng)力值為9.93 MPa .因此,對預(yù)應(yīng)力混凝土橋塔,豎向方向往往不是設(shè)計(jì)要點(diǎn), 設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是要力避水平向的拉應(yīng)力.對計(jì)算和光彈試驗(yàn)結(jié)果的分析表明, 索力引起的塔內(nèi)水平向應(yīng)力, 在空心箱形截面上有分區(qū)域分布的規(guī)律:即在有斜索直接錨固的箱體部分,水平順橋方向(x 軸方向)以壓應(yīng)力為主,橫橋方向(y 軸方向)靠箱體內(nèi)壁部分受壓,靠箱體外壁部分則受拉;沒有斜索錨固的箱體部分 水平順橋方向受到較大的拉應(yīng)力作用, 橫橋方向受到的應(yīng)力數(shù)值則很小.分析還表明, 斜拉索力在水平方向的分量(只有順橋方向有分量)大部分傳遞到箱體的C ,D 部分區(qū)域,即箱體C ,D 部分區(qū)域承擔(dān)了大部分的斜拉索力的水平分量,因而其內(nèi)部出現(xiàn)了較大的水平順橋向拉應(yīng)力;同時, 由于斜拉索力在橫橋方向沒有力的分量, 因此, 箱體C, D部分區(qū)域在橫橋方向基本上沒有受到大的應(yīng)力作用.圖3以應(yīng)力等值線的形式顯示了3個不同橫截面上水平應(yīng)力的分布情況, 其中1-1剖面所取的位置在分析區(qū)段中間的上下兩塊錨板之間, 2-2剖面位于分析區(qū)段中間錨板上緣, 3-3剖面取為通過分析區(qū)段中間錨板的中心點(diǎn), 圖中括號內(nèi)的數(shù)值為光彈試驗(yàn)測值.由圖3 可見,箱內(nèi)水平應(yīng)力對稱于x 軸分布.其中,箱體A ,B 區(qū)域部分橫橋向拉應(yīng)力以外壁中心最大,向內(nèi)和四周逐漸變小, 橫向拉應(yīng)力區(qū)分布范圍約為從外壁向內(nèi)延伸0.9 m;箱體C, D區(qū)域部分順橋向拉應(yīng)力在內(nèi)壁較大, 外壁較小, 在角點(diǎn)處拉應(yīng)力值最大.。為了研究塔內(nèi)水平向拉應(yīng)力在塔體豎直方向的分布規(guī)律, 取了2個典型的剖面:剖面Ⅰ-Ⅰ取在塔體B 側(cè)(索力較大的一側(cè))外壁,用于分析橫橋方向拉應(yīng)力σy在豎向的分布規(guī)律;剖面Ⅱ-Ⅱ取在D 區(qū)域部分箱體內(nèi)壁, 用于分析順橋方向拉應(yīng)力σx在豎向的分布規(guī)律(見圖1).圖4顯示了這2個剖面在取不同水平位置時應(yīng)力在豎直方向的分布情況.由圖中可見, 如果不考慮邊界效應(yīng), 則塔內(nèi)水平向應(yīng)力在豎直方向上的分布基本是均勻的.這表明在斜索錨固區(qū)段所取的優(yōu)化索力的情況下, 上下兩對斜索的索力對塔內(nèi)水平應(yīng)力相互之間的影響很小.

3光彈模型試驗(yàn)橋塔斜索錨固區(qū)局部區(qū)段的光彈模型試驗(yàn), 采用1/60的比例模型按相似準(zhǔn)則整體一次性制作, 并采用機(jī)械加載方式, 按實(shí)際荷載條件施加模擬的斜拉索力 。

4結(jié)論從上述有限元分析中可以得到如下結(jié)論:

(1)橋塔斜索錨固區(qū)局部應(yīng)力集中的范圍較小, 局限在錨板下約為錨板尺寸大小的方塊內(nèi), 錨下最大主壓應(yīng)力值為12.6 MPa .因此,在預(yù)應(yīng)力混凝土橋塔設(shè)計(jì)中,錨下應(yīng)力集中不是主要問題.

(2)混凝土塔體在斜索錨固區(qū)段內(nèi)豎向以受壓為主, 在分析區(qū)段內(nèi)由索力引起的最大壓應(yīng)力值為9 .93 MPa .

(3)斜索錨固區(qū)段采用箱形截面的橋塔, 索力的水平分量在沒有斜索錨固的箱體部分內(nèi)引起較大的順橋向拉應(yīng)力, 在斜索直接錨固的箱體部分, 引起靠外壁部分、橫橋向較大的拉應(yīng)力.因此, 順橋向預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)布置在沒有斜索錨固的箱體部分內(nèi), 橫橋向預(yù)應(yīng)力筋則重點(diǎn)布置在斜索直接錨固的箱體靠外側(cè)部分內(nèi).

(4)塔體水平應(yīng)力在豎向分布較為均勻, 而且上下兩對斜索的索力對塔內(nèi)水平應(yīng)力相互之間的影響很小.因此, 預(yù)應(yīng)力鋼筋在豎向可以采用等間距布置的形式.

(5)從本文的有限元計(jì)算結(jié)果和光彈模型試驗(yàn)結(jié)果的比較來看, 二者相當(dāng)吻合.2