斜索更換施工方法
概述
斜拉橋的拉索更換是因為拉索鋼絲的鏽蝕或斷裂 , 必然導致拉索受力的重新調整 , 引起整個結構的不安全甚至破壞。因此 , 對鏽蝕拉索進行更換是斜拉橋的常見工程。廣東省南海鎮九江大橋是325國道上的一座特大型獨塔斜拉橋,主跨為2×160m獨塔斜拉橋。拉索採用平行鋼絲外加黑色低密度聚乙烯 PE 保護層結構形式。換索前的檢測發現 , 大部分拉索的 P E 防護層出現開裂和剝落,鋼絲鏽蝕嚴重,直接影響大橋的結構安全。
1 換索前的施工準備
1 . 1 施工現場準備
(1)搭設腳手架。舊拉索的拆除 , 新拉索的安裝、張拉施工均需要操作平台。為便於人員上下和運送材料, 在每個塔柱四周布設鋼管腳手架,支架材料採用 Φ 4 8 m m × 3 . 5 m m 的腳手架鋼管,全部支撐在承台基礎上,在支架內設定“ 之 ”字 型爬梯。為保證鋼管腳手架的穩定 , 每隔 5 m 設一道夾持塔柱的水平橫聯。
(2)清理工作。
此項工作主要針對上錨杯、下錨箱、上下錨管的清理。首先 , 打開原上錨杯鋼護筒,清除黃油、舊鋼絲及銹跡。然後,對下錨箱外封鋼板氣割清除 , 利用空壓機配以風鎬鑿除下錨箱內的殘存混凝土。最後, 在上下錨箱清理工作完成後, 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 , 割除多餘錨管 , 利用電鑽、風鑽及鋼釺將錨管內清理乾淨 , 然後在底錨管和索管之間進行防護, 在接點處採取注塑防護,嚴防雨水侵入。如果不進行清理工作, 拉索上錨具卸不下來。因此, 此項工作需換索前完成。
(3)核對拉索參數。
當塔和樑上的支架完成以後 , 打開拉索錨箱, 對拉索錨端的外露尺寸進行測量,以便計算、覆核拉索製作長度。
1 . 2 施工機械準備
拉索更換工作需要的主要施工機械有卸索、掛索的連線器 , 張拉螺桿引出桿、張拉千斤頂及油泵、卷揚機、油表、反力架,墊板等。監測設備主要有索力儀和精密水準儀。
1 . 3 施工監控準備
在換索工程中需要進行全方位監控 ,主要針對索力和標高的監控。在卸索和張拉新索的施工程式中 , 運用索力儀和精密水準儀等儀器對所換索及相鄰各索進行索力監測、對對應位置處的橋面標高位移進行監測,此外,還可以進行梁底或塔根部的混凝土應力監測。
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)索輥道並設定索盤,並清除樑上錨頭鋼護筒內混凝土 , 同時在索塔根部安裝卷揚機, 塔頂安裝定滑輪組,在樑上待換索位安裝懸臂掛籃。用卷揚機將千斤頂吊至塔上 , 在塔上張拉端錨頭上裝好張拉設備, 對拉索進行松張。松張需進行兩次松張對照 , 當兩次油表讀數差別不大時可進行卸索。卸索應分級進行, 卸索至大螺母與錨頭連線剩下 4 ～ 5 個螺紋時 , 卸下張拉設備,安裝軟牽引裝置,繼續進行放鬆至索力小於5t。待拉索放鬆後,用卷揚機牽引滑輪組吊索 , 緩慢收緊至軟索牽引裝置完全鬆弛後,拆除軟牽引裝置,用卷揚機將索徐徐放下, 放在輥軸上。進入梁身段錨固端的掛籃,拆除固定端螺母,用卷揚機牽引將拉索下錨頭抽出。最後將端頭固定在空盤上收盤, 運出現場。
2.1.2 注意事項
(1)卸索時, 應特別注意記錄錨具大螺母鬆開時對應的千斤頂油表讀數 , 並進行兩次放張,以便對照,差別不大時方可進行卸索;
(2)卸索過程中,應全過程跟蹤觀測梁頂面標高變化, 並與理論計算值進行對比,如有異常,應立刻停止斜拉索卸索工作,待找出原因後方可進行;
(3)卸索時,塔身兩岸應對稱進行 , 儘量保證主塔兩側受力平衡而不產生偏載。
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,用卷揚機將拉索展開,平放在滾輪上。固定梁身段錨頭, 確定拉索吊點安裝夾具,將下錨杯放入下錨頭鋼護筒中,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 , 將拉索與卷揚機連線緩慢提升拉索, 至錨頭鋼護筒附近。安裝軟牽引裝置, 直至能與新索相連線。安裝齒板和連線器,調整千斤頂與撐腳,將工具動錨卡緊。將轉換套與軟牽引連線器對正, 然後將連線器旋進轉換套, 開始軟牽引張拉。鋼絞線慢慢收緊, 拉緊後拆除滑輪組吊鉤。千斤頂行程2 0 c m後 , 鎖定工具定錨 , 油泵回油 ,工具動錨回到原位。然後重複此程式, 直至拉索錨頭進入鋼護筒並行進至另一端露出3個螺紋 , 將固定螺母旋緊。卸除軟牽引裝置,安裝張拉設備。檢查無誤後開始張拉;兩側千斤頂同步逐級載入至舊索卸載噸位;測頻法覆核索力及梁、塔測量, 調整索力至符合要求;擰上拉索螺母。
2.2.2 注意事項
(1)掛新索前用精密水準儀對橋面高程進行測量 , 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,目的是保護拉索防護層不被劃傷或破壞。
(3)張拉新索應緩慢、分級進行;當索力達到設計索力時 , 持荷 1 0 m i n , 此時需檢查更換的新索索力是否達到原有索力 , 橋面高程是否恢復到換索前的高程。當確認索力和高程恢復到原有的索力和高程時 , 即可進行下一根拉索的更換。
2 . 3 換索順序
拉索逐根更換 , 並採取雙向對稱進行方式, 即每次於塔柱兩側對稱各更換一束,更換完成以後 , 於另一塔柱兩側再對稱各更換一束, 交替進行。同一索號更換完成後再進行下一索號更換。在更換斜拉索時, 每束均按設計給定的索力進行張拉錨定 , 待同一索號斜拉索全部束均更換完畢後 , 全部的束再同時張拉進行索力調整 , 使其達到給定的索力。
3 換索後的索力調整
拉索更換工程中主要監控指標是索力和橋面標高 , 若對索力的大小及分布控制出現偏差 , 將會引起斜拉橋主梁內力分布變化 , 有可能最終使結構偏離原設計的理想狀態,因此,換索後需進行必要的索力調整。調索的計算方法主要有影響矩陣法、逼近法、數學規劃法等, 應結合具體工程進行選擇方案反覆調整。調索的原則是應兼顧主梁混凝土應力、主梁線形以及塔位的變化。具體來講 , 調索應使主梁的局部下撓有所緩解 , 儘可能接近竣工線形; 同時應使主樑上、下緣混凝土應力適度增減 , 避免產生過大的拉應力 , 以保證主梁的安全。
斜索錨固區空間應力
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, 是設計中的關鍵.在斜拉橋中, 索的錨固部位主要有兩處:其一是在主樑上, 另一是在塔體上.由於現代斜拉橋的橋塔已越來越多地採用預應力混凝土結構, 因此, 斜拉索在塔上的錨固構造就成為工程設計中尤其需要關心的重大構造細節問題.本文以實際工程為背景, 運用光彈模擬試驗技術和現代有限元分析軟體, 對混凝土橋塔的斜索錨固區段進行了詳盡的空間應力分析, 並對錨固區的受力特點進行了分析探討.本文中分析所採用的斜拉橋, 其主塔設計為預應力混凝土結構, 塔的外觀在橫橋方向呈倒Y形, 其上部獨柱部分為斜拉索錨固區段, 截面採用變截面空心箱形, 斜索穿過塔壁直接錨固在內側箱壁之上.該橋的斜索採用單索麵布置, 但在縱立面上的每根斜索則由橫向並列、中心間距為1.2m 的2 根索組成,在主塔兩側各有29 對斜拉索.在光彈模擬試驗和有限元計算模型中, 僅取塔頂以下局部的錨固區段(兩側各有7對斜拉索).
1橋塔斜索錨固區段分析計算模型
1.1分析思路
在斜拉橋斜索錨固區局部應力分析中, 一般作法是先對整個結構利用桿系有限元法進行分析, 得出斷面的組合內力和最佳化的斜拉索力之後, 再取適當的局部區段進行三維空間實體有限元分析和光彈模擬試驗.在本文的橋塔錨固區分析中, 所取的局部區段自塔頂以下兩側各有7對斜拉索, 可以保證中間斜索錨固區的應力分布不受下端位移邊界效應的較大影響.
1 .2 有限元計算模型
由於橋塔斜索錨固區段的構造特點, 有限元計算模型採用了高效的、8節點Wilson不協調塊體單元來模擬塔體, 並採用邊界單元來模擬位移邊界條件, 以提供計算反力, 進行平衡驗算.計算模型的格線生成、荷載和材料性質以及邊界單元的導入, 全部由圖形界面的前處理程式完成, 並自動形成有限元計算所需的數據.由於採用圖形輸入方式, 因而可以建立規模宏大、十分複雜的計算模型, 比較可靠地模擬實際結構的受力特點.圖2為所取局部分析區段有限元計算模型的三維消隱格線圖形, 該模型共有5 824個塊體單元, 654個邊界單元和8 464個格線節點, 求解方程總數達到24 586個.
2應力計算結果與分析
2.1計算結果平衡驗算
由於有限元分析規模較大, 為保證計算結果的可靠性, 必須進行力的平衡驗算.利用邊界單元輸出的反力, 可以對計算反力和外力進行平衡驗算.表1是計算反力與外力的比較結果, 從表中可見, 力的平衡條件得到了相當好的滿足.此外, 還套用典型剖面上的應力計算結果, 對剖面上的豎向內力和水平兩個方向上的內力與索力進行了平衡驗算, 結果表明, 內外力的平衡誤差約為5.8%, 這表明內外力的平衡條件也得到了很好的滿足.
2 .2 應力集中分析
有限元計算結果和光彈試驗表明, 橋塔斜索錨固區段的應力集中部位主要出錨板下方.分析結果表明, 錨板下局部應力集中的範圍較小, 其影響基本局限在錨板下方0.9 m(大致相當於錨板的尺寸大小)的方塊以內, 錨下最大主壓應力值為12.6MPa.由於錨下應力集中區為三向受壓區, 因此對預應力混凝土橋塔結構, 只要採取適當的構造措施, 即可解決這種應力集中問題.
2 .3 主壓應力和最大剪應力分析
在強大的斜拉索力作用下, 塔體內一般會受到較大的壓應力和剪應力作用.計算結果表明, 分析區段塔內最大的主壓應力值為12.6 MPa ,塔內最大剪應力值為4.79 MPa ,塔內較大的主壓應力值大都出錨下應力集中區, 而較大的剪應力值則出上下兩塊錨板之間和箱體截面角點處.這個結果表明, 橋塔採用預應力混凝土結構是一種很適宜的方案.
2 .4 水平向應力分析
斜拉橋的橋塔在豎向以受壓為主.從有限元計算和光彈試驗結果來看, 在斜索力作用下, 分析區段塔內出現的豎向最大拉應力值為2 .00 MPa ,壓應力值為9.93 MPa .因此,對預應力混凝土橋塔,豎向方向往往不是設計要點, 設計的關鍵是要力避水平向的拉應力.對計算和光彈試驗結果的分析表明, 索力引起的塔內水平向應力, 在空心箱形截面上有分區域分布的規律:即在有斜索直接錨固的箱體部分,水平順橋方向(x 軸方向)以壓應力為主,橫橋方向(y 軸方向)靠箱體內壁部分受壓,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力作用, 橫橋方向受到的應力數值則很小.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 部分區域,即箱體C ,D 部分區域承擔了大部分的斜拉索力的水平分量,因而其內部出現了較大的水平順橋向拉應力;同時, 由於斜拉索力在橫橋方向沒有力的分量, 因此, 箱體C, D部分區域在橫橋方向基本上沒有受到大的應力作用.圖3以應力等值線的形式顯示了3個不同橫截面上水平應力的分布情況, 其中1-1剖面所取的位置在分析區段中間的上下兩塊錨板之間, 2-2剖面位於分析區段中間錨板上緣, 3-3剖面取為通過分析區段中間錨板的中心點, 圖中括弧內的數值為光彈試驗測值.由圖3 可見,箱內水平應力對稱於x 軸分布.其中,箱體A ,B 區域部分橫橋向拉應力以外壁中心最大,向內和四周逐漸變小, 橫向拉應力區分布範圍約為從外壁向內延伸0.9 m;箱體C, D區域部分順橋向拉應力在內壁較大, 外壁較小, 在角點處拉應力值最大.。為了研究塔內水平向拉應力在塔體豎直方向的分布規律, 取了2個典型的剖面:剖面Ⅰ-Ⅰ取在塔體B 側(索力較大的一側)外壁,用於分析橫橋方向拉應力σy在豎向的分布規律;剖面Ⅱ-Ⅱ取在D 區域部分箱體內壁, 用於分析順橋方向拉應力σx在豎向的分布規律(見圖1).圖4顯示了這2個剖面在取不同水平位置時應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, 則塔內水平向應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段所取的最佳化索力的情況下, 上下兩對斜索的索力對塔內水平應力相互之間的影響很小.
3光彈模型試驗
橋塔斜索錨固區局部區段的光彈模型試驗, 採用1/60的比例模型按相似準則整體一次性製作, 並採用機械載入方式, 按實際荷載條件施加模擬的斜拉索力 。
4結論
從上述有限元分析中可以得到如下結論:
(1)橋塔斜索錨固區局部應力集中的範圍較小, 局限在錨板下約為錨板尺寸大小的方塊內, 錨下最大主壓應力值為12.6 MPa .因此,在預應力混凝土橋塔設計中,錨下應力集中不是主要問題.
(2)混凝土塔體在斜索錨固區段內豎向以受壓為主, 在分析區段內由索力引起的最大壓應力值為9 .93 MPa .
(3)斜索錨固區段採用箱形截面的橋塔, 索力的水平分量在沒有斜索錨固的箱體部分內引起較大的順橋向拉應力, 在斜索直接錨固的箱體部分, 引起靠外壁部分、橫橋向較大的拉應力.因此, 順橋向預應力筋應布置在沒有斜索錨固的箱體部分內, 橫橋向預應力筋則重點布置在斜索直接錨固的箱體靠外側部分內.
(4)塔體水平應力在豎向分布較為均勻, 而且上下兩對斜索的索力對塔內水平應力相互之間的影響很小.因此, 預應力鋼筋在豎向可以採用等間距布置的形式.
(5)從本文的有限元計算結果和光彈模型試驗結果的比較來看, 二者相當吻合.
