泰州大桥三塔悬索桥吊索索夹螺杆紧固力变化分析

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  悬索桥索夹为紧箍主缆并连接主缆与吊索的构件,采用的形式主要为骑跨式或销接式。骑跨式索夹通常采用左右对合型结构,销接式索夹通常采用上下对合型结构,两半索夹通过螺杆连接在一起,螺杆提供了索夹对主缆的夹紧力,避免索夹滑移。索夹螺杆紧固力指单根螺杆对索夹的夹紧力。桥梁建设期间通常会分阶段开展若干次索夹螺杆整体的张拉紧固,常规的阶段划分有:索夹安装时、钢箱梁吊装后、桥面铺装后。

  从国内外悬索桥的运营情况看,索夹螺杆紧固力在进入运营期后,会因车辆等荷载引起的缆索体系受力及线形变化、主缆内镀锌钢丝受压蠕变或重新排列等原因持续下降,其损失最终将会导致索夹松动甚至滑移。而索夹滑移,会导致缆索结构体系受力的重新分配,引起主体结构线形变化、降低滑移处主缆密封性等病害,对悬索桥的结构受力安全带来严重影响。为此,国内外悬索桥管养机构针对该病害会定期开展检测和紧固补张工作。

  本文在综述两塔悬索桥吊索索夹螺杆紧固力变化特征的基础上,以世界上首座建成的千米级多塔连跨悬索桥——泰州大桥为例,依据泰州大桥现场螺杆紧固力检测和紧固补张工作的结果,分析成桥及运营后三塔悬索桥索夹螺杆紧固力的变化特征,为悬索桥缆索体系养护工作的科学开展提供借鉴和依据。

  索夹螺杆受力情况亟待研究

  2010年在镇江召开的国际缆索承重桥梁营运机构会议上,本州四国跨海大桥管理机构的冈田基等专家总结了日本关门桥、因岛大桥和明石海峡大桥索夹螺杆紧固力变化情况。其中,日本关门桥在运营1000天后,经检测螺杆紧固力损失40%,部分索夹安全系数降低到2以下。因岛大桥在1986年(通车3年后)进行了第一次紧固力补张,2003年进行了第二次紧固力补张,第二次紧固力补张期间的螺杆力下降速度明显低于前一次。明石海峡大桥在2000年进行了部分螺杆的螺杆力紧固,2007至2009年期间进行了螺杆紧固力检测,结果表明,所有被检的螺杆力均有长期下降的现象,特别是主塔附近主缆倾角较大处尤为明显。

  国内也开展了相应的悬索桥索夹螺杆力检测和紧固补张工作。江阴大桥1999年通车,2002年和2009年开展了2次螺杆紧固力补张。2014年对全桥1532根螺杆进行了检测,北塔附近索夹螺杆紧固力相对于2009年下降了38.1%,南塔附近下降了39.1%。2017年,抽取约20%的螺杆进行跟踪检测,测得螺杆紧固力相对于2014年补张后的测试值下降约17%。

  通过查阅相关文献,汇总和总结国内外主缆索夹螺杆力检测和紧固补张工作情况,悬索桥通车后螺杆紧固力下降的主要现象和特征如下——

  1.与建设期间相比,通车后索夹螺杆紧固力必然会下降;

  2.靠近索塔处的索夹螺杆紧固力下降速率高于跨中位置;

  3.边塔附近对称位置的同类型索夹螺杆紧固力下降速度比较一致;

  4.螺杆紧固补张后紧固力前10天内下降迅速,之后逐步趋缓至基本稳定;

  5.螺杆力的下降速率在经多次整体紧固后,会逐次降低。

  三塔连跨悬索桥是近几年经过国内桥梁界的共同努力、探索建设,成功实现的一种新的大跨径悬索桥型结构,结构体系和受力行为均明显有别于两塔悬索桥,其吊索索夹螺杆的受力情况、呈现的衰减变化特征也有待检测、分析和研究。

  泰州大桥索夹螺杆的紧固补张情况

  (1)总体设计

  泰州大桥跨江主桥采用主跨跨径为1080m的双主跨悬索桥型方案,是世界上首座建成的主跨超千米的三塔连跨悬索桥,2012年11月建成通车。主缆跨径布置为(390+2×1080+390),中、边塔塔顶标高分别为200m和180m,主缆矢跨比采用1/9,两根主缆横向中心距为35.8m。建设期间分3个阶段将索夹螺杆紧固至设计值,分别是索夹安装时、钢箱梁吊装后、桥面铺装后。

  泰州大桥双主跨设置吊索,两边跨未设置吊索。吊索采用销铰式,上端通过叉形耳板与索夹连接,索夹分有吊索索夹和无吊索索夹,共分为10种类型SJ1-SJ10。其中,SJ1-SJ8为有吊索索夹,SJ1、SJ2对应邻近中塔两侧的1号吊点和2号吊点;SJ9索夹位于无吊索区,起夹紧主缆和支撑主缆检修道的作用;SJ10位于主鞍两侧和主缆入锚处,起到封闭主缆的作用。图1为泰州大桥1/2索夹类型分布图。

  

  图1 泰州大桥1/2索夹类型分布图(单位:cm)

  全桥共采用两种螺杆规格,M52和M42。其中,M52应用在SJ1、SJ2、SJ9、SJ10,共计8个索夹,176根螺杆;其余索夹均采用M42螺杆,共计3032根螺杆。螺杆参数见表1。

  

  (2)螺杆紧固力检测和紧固补张工作内容

  泰州大桥索夹螺杆于2016年、2017年分两次进行了1个完整周期的检测和紧固补张工作,内容见表2。

  

  ①2016年

  试验段:选取泰州大桥上游侧近中塔及南塔的288根螺杆作为试验段进行初始紧固力测试、紧固力补张(张拉控制力为设计值)、补张后测试、补张10天后测试、补张20天后测试。

  紧固力检测:选取1160根螺杆进行紧固力检测。

  紧固补张:对包含试验段在内的1500根螺杆进行紧固补张,张拉控制力为设计值的1.1倍。

  ②2017年

  紧固力检测:选取340根螺杆进行紧固力跟踪检测。

  紧固补张:对2016年未进行紧固的1708根螺杆进行补张,张拉控制力为设计值的1.1倍。

  (3)技术要求

  依据设计图纸,当螺杆拉力损失至设计张拉力的70%时,索夹对主缆的抗滑安全系数≥3.0;在永存应力状态下(设计拉力损失至70%时),螺杆安全系数≥2.0;螺杆在设计张拉力作用下,安全系数≥1.4。依据《公路悬索桥设计规范》(JTGT D 65-05-2015),吊索索夹的抗滑系数应大于等于3。

  基于超声检测的灵敏程度高、检测速度快、成本低等特点,泰州大桥螺杆紧固力检测采用超声无损检测技术,利用超声波测试千斤顶对螺杆螺母加压过程中,螺杆长度变化线的拐点及对应的千斤顶压力值。

  检测及紧固补张结果

  (1)2016年对泰州大桥主桥1160根螺杆紧固力进行了检测,经过4年的运营,检测的1120根M42螺杆紧固力平均值约为设计值(700kN)的65.3%;M52螺杆紧固力平均值约为设计值(1100kN)的55.4%,M52螺杆紧固力下降速度快于M42螺杆。M42 、M52螺杆检测结果的区间分布统计见表3。

  

  (2)2017年度,抽取了26个索夹共340根螺杆进行了跟踪检测,检测总体情况如下:

  ①抽取的88根M52螺杆均在2016年进行过补张,为靠近中塔位置的SJ1、SJ2。经检测,M52螺杆紧固力平均值为1030kN,相对于2016年张拉控制力下降约15%。

  ②抽取的252根M42螺杆部分未在2016年进行紧固补张,故分开进行统计。2016年已紧固补张的156根螺杆紧固力平均值为680kN,为设计值的97%,相对于2016年张拉控制力(1.1倍设计值)下降约12%;未补张的96根螺杆紧固力平均值为440kN,为设计值63%,较2016年测试的1120根M42螺杆紧固力平均值下降约2.9%。

  ③2016年、2017年分两个阶段对全部3208根螺杆进行了一轮补张,M42螺杆、M52螺杆张拉控制力均为设计值1.1倍。

  索夹紧固力变化特征分析

  (1)短中期螺杆紧固力下降情况

  2016年进行泰州大桥螺杆检测及紧固前,选取中塔和南塔附近总计249根M42螺杆、39根M52螺杆作为试验段进行了检测及紧固补张工作。

  试验段涵盖了SJ1—SJ8,测试过程中以10天为周期记录索夹螺杆紧固力变化情况,其检测结果见表4。

  

  ①螺杆紧固后10内螺杆力下降幅度大于10至20天。

  ②M42螺杆10天内紧固力下降幅度大于M52,10至20天内M42螺杆紧固力下降幅度1.4%,小于M52螺杆力下降幅度1.8%。

  ③由M42、M52螺杆10天内、10至20天内和1年内紧固力的下降幅度可知,M42和M52螺杆紧固力1年内的下降幅度会有30%以上发生在前20天,M42螺杆紧固力前期下降幅度快,后期下降幅度慢;M52螺杆紧固力前期下降幅度小于M42,后期下降幅度相对较快,1年内M52螺杆紧固力下降总幅度大于M42。

  ④以上结论与2016年现场测试的M42、M52螺杆紧固力均值吻合。

  (2)长期螺杆紧固力下降情况

  结合上文总结的中短期螺杆紧固力下降特征,依据2017年测试的252根M42螺杆紧固力检测结果,2016年紧固的螺杆至2017年紧固力平均下降了12%,未紧固的螺杆至2017年(通车后累计5年)平均下降了2.9%。可以推测分析出,M42螺杆紧固力在5年的下降中,并非均匀下降,呈现了明显的前快后慢,前急后稳的特征。

  (3)不同类型和不同高程位置索夹螺杆紧固力下降对比

  为了对比分析三塔悬索桥不同类型、不同位置索夹螺杆紧固力下降的特征,选取并汇总了中塔侧SJ1—SJ8索夹螺杆紧固力检测数据,见表5。

  

  由表5可知——

  ①M52螺杆中,高程位置更高的SJ1索夹前10天螺杆紧固力下降幅度明显高于SJ2,10至20天的下降幅度差异不大,均在2%左右。

  ②SJ3—SJ8的M42螺杆,前10天的下降幅度随着螺杆位置高程的降低有减小趋势,10至20天的下降幅度明显低于前10天。

  ③M42螺杆前10天螺杆紧固力下降幅度(4.4%)总体大于M52(2.7%),10至20天的下降幅度(1.3%)总体小于M52螺杆(1.9%)。

  ④通过对M42、M52螺杆前10天、10至20天和1年的紧固力下降幅度分析可知,M42螺杆紧固力前期下降幅度快,后期下降幅度慢;M52螺杆紧固力前期下降幅度小于M42,但后期下降幅度相对M42较大,1年内M52螺杆下降幅度大于M42。

  (4)中边塔侧索夹螺杆紧固力长期变化特征对比

  两塔悬索桥的两个边塔螺杆紧固力变化呈现了对称和一致的特征。为了分析三塔悬索桥中边塔侧螺杆紧固力的下降变化特征,找出其中的异同,将泰州大桥主缆1/4跨位置以上的索夹划分为陡坡段,1/4跨位置以下为缓坡段(见图2),依此开展对比分析。

  

  图2 主缆陡坡段、缓坡段索夹位置示意

  统计2016年、2017年3个区段M42螺杆紧固力检测均值(2017年仅统计2016年未紧固补张的螺杆),见表6。

  

  通过数据对比,对于同类型的M42螺杆,可以得出如下结论——

  ①三个塔侧的陡坡段螺杆紧固力均小于缓坡段。

  ②中塔侧陡坡段紧固力均值高于北塔侧陡坡段5.1%,高于南塔侧陡坡段7.1%。

  ③中塔侧缓坡、陡坡段的螺杆紧固均值差异不大,通车5年内,中塔两侧的主缆受力分配和变形响应较为均匀。

  ④南塔侧陡坡段螺杆紧固力低于北塔约2%,南塔侧缓坡段螺杆紧固力低于北塔约1.2%,两边塔检测数据总体差异较小,数据呈较为明显的对称特征。

  与两塔悬索桥变化特征对比分析

  依据上述分析,对比三塔悬索桥和两塔悬索桥索夹螺杆紧固力变化特征,有以下结论——

  (1)索夹螺杆紧固力的下降均呈现出“前快后慢”的特点,前10天下降迅速,之后趋缓至稳定。

  (2)三塔悬索桥边塔侧螺杆紧固力变化特征与两塔悬索桥边塔侧较为一致,三塔悬索桥在运营中两个主跨上长期不平衡力的不利影响,尚未在边塔侧的检测数据中呈现。

  (3)依据目前的检测数据,三塔悬索桥中塔侧同类型索夹螺杆紧固力检测均值高于边塔,且中塔侧缓陡坡段的差异较小。

  总结而言,三塔悬索桥索夹螺杆紧固力变化特征总体上与两塔悬索桥较为一致,在边塔上更为明显。三塔悬索桥中塔两侧同类型索夹螺杆紧固力长期变化较边塔要小,同时中塔两侧缓陡坡段的变化差异不明显。本次分析采用一个完整工作周期的泰州大桥索夹螺杆紧固力检测数据,对于精确掌握大桥运营期索夹螺杆紧固力变化规律尚不充分,还需在今后的检测和研究工作中,获取周期更长、频次更多、范围更广的数据。通过不断的比较和分析,深入开展数值模拟计算和预测研究,逐步探明其中的规律,为三塔悬索桥索夹螺杆的科学养护提供依据。

  作者 /周伟 张鹏飞

  作者单位 / 江苏泰州大桥有限公司、中交公路规划设计院有限公司

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