大跨度鐵路斜拉橋換索方案設計與受力性能分析

大跨度鐵路斜拉橋換索方案設計與受力性能分析

張乃樂

(懷邵衡鐵路有限責任公司，長沙 410008)

摘 要：由於斜拉索安全性病害和功能退化，斜拉橋在運營一定年限後需進行拉索更換。以某大跨雙線鐵路斜拉橋為工程背景，提出一種適用於鐵路斜拉橋的斜拉索更換方案，該方案僅對出現病害的單根拉索進行拆除更換，無需中斷橋上鐵路行車。基於空間非線性有限元手段，計算拉索更換所致結構效應。結果表明，拉索更換會引起輕微的主梁線形不平順和結構豎向剛度降低，橋面列車需作限速通行要求，換索狀態下，橋樑各構件受力均滿足規範要求，本文提出的換索方案是安全可行的。結合計算結果，針對換索方案的拉索張拉工藝和施工條件提出建議，以保證換索施工全過程的橋樑受力合理性。

關鍵詞：鐵路橋；斜拉橋；大跨度；斜拉索；換索方案；單根更換；受力性能分析；有限元計算

1 概述

斜拉橋是一種由索塔、主梁、拉索共同承載的纜索支承橋樑[1]，拉索體系對主梁實施有效支承，將橋面恆載和主梁傳遞的交通荷載等外部荷載快速傳遞至索塔[2]。拉索為斜拉橋最重要的易損構件，其安全使用性能直接決定了斜拉橋的使用壽命[3]。

由於鋼絲腐蝕、氫脆、應力腐蝕、錨具鏽蝕、護套老化或破損、拉索疲勞、錨具鬆脫以及施工損傷、養護不到位等原因[3，4]，在橋樑運營若干年後，拉索往往會出現安全性病害和功能退化，此時需進行拉索更換，以保證橋樑結構和橋面行車的安全。

相比公路斜拉橋，大跨度鐵路斜拉橋具有整體剛度大、列車活載重、恆載與活載之比小等特點，以主跨468 m大跨度雙線、中-活載鐵路混合梁斜拉橋為例，其活載集度約為同跨度六車道公路橋的28倍，而恆載與活載之比小，僅為1.97。由於大跨度鐵路斜拉橋的上述特點，其斜拉索的疲勞效應非常突出，單根拉索的索力較大，拉索更換的可行性和安全性是鐵路斜拉橋的關鍵技術問題之一。國內很多學者對公路斜拉橋換索問題進行了較為全面的研究[5-7]，但關於鐵路斜拉橋拉索更換的研究甚少。

以某鐵路大橋為工程背景，提出了一種適用於大跨度鐵路斜拉橋的換索方案，並建立非線性空間模型，計算分析了控制性拉索的更換所致結構效應，論證了換索方案的可行性和安全性，並給換索施工提出了幾點建議。

2 工程概況[9]

某大橋為主跨468 m雙塔雙索麵混合梁斜拉橋，孔跨布置為(53+50+50+66+468+66+50+50+53) m，以流線形封閉箱形主梁承載雙線鐵路(中—活載)，橋樑總體布置見圖1。主梁全長907.8 m，邊跨及部分中跨主梁為預應力混凝土箱梁，其餘中跨主梁為鋼箱梁，鋼-混凝土分界點位於主梁中跨側距離橋塔24.5 m處。鋼箱梁標準橫斷面見圖2。

斜拉索採用抗拉標準強度1 670 MPa鍍鋅平行鋼絲拉索，外擠HDPE(高密度聚乙烯)護套，空間雙索麵體系，扇形布置，全橋共100對斜拉索。斜拉索樑上間距8～9 m，塔上索距(錨點豎向間距)1.829～4.703 m。斜拉索採用整根張拉方式，張拉端設置在塔內。斜拉索最長(含錨具)266.8 m，最大規格為PES(C)7-223，單根最大質量約18 t(不含錨具和護套)。斜拉索編號見圖1。

圖1 大橋總體布置及斜拉索編號示意(單位：m)

圖2 鋼箱梁標準橫斷面(單位：m)

3 換索方案確定

斜拉橋在運營一定年限後，受各種因素影響，拉索往往會出現安全性病害和功能退化，此時需進行病害拉索的拆除和更換，以保證橋樑結構和橋面行車的安全。鐵路的天窗時間一般在6 h以內[10]，該時長不足以完成斜拉索更換，故拉索更換的部分工作需在鐵路行車時段開展，因鐵路一般不允許中斷交通，故換索過程中，列車需保持通行。鐵路斜拉橋換索施工方案需考慮鐵路運營的特點和要求。

3.1 換索一般性流程

鐵路斜拉橋拉索更換施工過程中，不中斷鐵路行車，必要時僅作限速通行要求，一般性流程為：施工準備→索力及高程測量→減振器裝置拆除→拆除病害斜拉索→安裝新斜拉索→張拉拉索至目標索力→索力及高程實測→減振器裝置恢復→設備拆除及橋面清理[6-]。

3.2 換索主要工藝的施工時段選擇

安裝支架、拆除拉索防護罩、拆除減振器裝置、清理索孔管道、橋面展索、減振器裝置恢復、設備拆除及橋面清理等換索前準備工作或換索後收尾工作，可在任何時段進行，此時，列車正常運營，不作限速要求。

為避免拉索掉落危及鐵路行車安全，斜拉索的拆除和掛設應安排在天窗時間完成。

換索前後的索力及高程測量、斜拉索張拉應在天窗事件(該時段，氣溫比較穩定)開展，以規避橋面行車、溫度變化的影響[7]。

舊索索力釋放至新索完成張拉期間，橋上列車通行應做限速要求，以保證橋樑和行車的安全。

4 換索施工的受力性能分析

4.1 計算模型

以前文所述某大橋為工程背景，採用空間桿系非線性程序，建立空間有限元模型，進行換索施工的受力性能分析。

建模分析過程中，以設計豎曲線為基準進行結構離散，對於主梁、主塔採用三維梁單元模擬，其截面特性通過真實截面的輸入來準確考慮。混凝土主梁預應力採用桿單元建立空間預應力筋以真實模擬。計算考慮斜拉索垂度效應、主梁或索塔在顯著軸壓力作用下的P-Δ效應、結構大變形效應等非線性影響，其中斜拉索採用只受拉多段桿單元模擬，以完全考慮垂度效應和索端轉角的影響。空間有限元分析模型見圖3。

圖3 空間有限元分析模型

4.2 計算工況

實際工程中，一般僅對出現病害的斜拉索進行更換，故在結構受力容許的情況，計算按單根拉索拆除並解除索力進行換索施工的受力性能分析。

基於最不利原則，選取了以下具有代表性的斜拉索(拉索編號見圖1)進行換索計算。

(1)M25拉索：該索為全橋最長拉索。

(2) M12拉索：該索位於主跨1/4跨附近，且其疲勞應力幅最大。

(3)M2拉索：該索成橋索力較大，且位於鋼混結合段區域。

(4) M1拉索：緊鄰索塔拉索，索力較大且塔側無索區長達14 m。

由於換索施工全過程耗時在1 d以上，且橋上不中斷交通，故偏保守地換索荷載除與恆載、活載進行組合外，還考慮與溫度、風、制動力等附加力組合，基於此，確定換索荷載組合如下：

換索荷載組合=恆載+列車活載(中-活載，雙線列車限速通行)+溫度+風荷載+制動力+換索荷載(索力解除、拉索拆除)。

4.3 計算結果

4.3.1 索力變化

控制性拉索拆除所致拉索塔端索力變化如圖4～圖7所示。

圖4 M25拉索拆除所致拉索塔端索力變化

圖5 M12拉索拆除所致拉索塔端索力變化

圖6 M2拉索拆除所致拉索塔端索力變化

圖7 M1拉索拆除所致拉索塔端索力變化

根據圖4～圖7，關於雙塔雙索麵密索體系鐵路混合梁斜拉橋拉索更換所致索力變化，可得到以下結論。

(1)單根拉索的拆除，會引起所有斜拉索出現不同程度的增減，索力未出現急劇變化，增減幅值不超過200 kN，其原因在於，對於密索體系斜拉橋，單根拉索拆除釋放的索力，將由鄰近的20餘根拉索分擔，分配到每根拉索的索力有限。

(2)拉索的拆除，引起的鄰近拉索的索力增值，一般隨著與拆除拉索的距離增大而逐漸減小，但主跨跨中拉索(如M25)則不同，最大增值出現在間隔5倍索距的拉索。

(3)拉索的拆除，對同側拉索(如索塔中跨側或邊跨側)的索力影響，同索麵的拉索要大於非同索麵的拉索。

(4)中跨拉索的拆除，對邊跨拉索索力的影響，呈現端錨索增加幅值最大、塔區拉索減小幅值最大，梁端往塔區方向呈近線性變化，且兩個索麵的索力變化差別甚小，其原因在於本文依託的工程項目為密索體系的鐵路混合梁斜拉橋，其兩個索麵的梁端橫向間距僅為19 m，主梁截面剛度較大，邊跨混凝土主梁剛度遠大於中跨鋼箱梁，且邊跨設置了3個輔助墩，邊跨對中跨可實現強勁的錨固作用。

4.3.2 應力及變形結果

表1為恆載及列車活載下的主梁變形和各種換索荷載組合下的構件主要檢算結果。

表1 結構變形和構件主要檢算結果

項目換索荷載組合M25M12M2M1拉索最小強度安全係數2.722.732.682.71混凝土主梁正應力/MPa鋼箱主梁正應力/MPa索塔正應力/MPa主梁中跨下撓/mm最大值-0.26-0.33-0.41-0.43最小值-21.15-20.67-20.58-20.49最大值97.479.481.280.4最小值-110.2-111-118.1-113.7最大值2.592.572.462.47最小值-15.48-14.95-13.64-13.65恆載49.329.924.525.0列車活載687674669666

註：1.負值為壓應力；2.變形數值為恆載或列車活載的結果，余為換索荷載組合值。

計算結果表明。

(1)換索施工最不利狀態下，斜拉索最小強度安全係數為2.68，大於2.0，滿足規範的關於施工狀態斜拉索強度安全係數的要求[11]。

(2)混凝土最大壓應力為21.15 MPa，最小壓應力為0.26 MPa，滿足規範要求。

(3)鋼箱主梁第一體系最大壓應力為118.1 MPa，最大拉應力為97.4 MPa，考慮與第二體系、第三體系應力疊加，滿足規範要求。

(4)索塔總體表現為受壓，最大壓應力為15.48 MPa， 下塔柱和中塔柱靠下橫樑區段出現拉應力，最大值為2.59 MPa，出現在下塔柱靠下橫樑底緣的截面，經檢算，受拉區域的鋼筋應力及裂縫寬度均小於規範限值，索塔受力滿足規範要求。

(5)斜拉索的更換會引起成橋線形和列車活載下主梁撓度的變化，最突出的是中跨長索M25拉索，該索的拆除，會引起主梁49.3 mm的主梁下撓，並帶來主梁線形的輕微不平順，此外，M25拉索的拆除帶來列車活載所致中跨中撓度由664 mm增加23 mm至687 mm，對應的撓跨比由1/705變為1/681。

綜上可知，索塔、混凝土主梁、鋼箱梁、斜拉索等各構件的受力均滿足規範要求。拉索的拆除會引起主梁輕微的下撓和線形不平順性，結構整體豎向剛度也略有減小，建議換索過程中，對橋面列車作限速通行要求。

同時，計算結果也表明，混凝土主梁的最大壓應力和最小壓應力均接近規範限值，索塔部分區段出現了拉應力，為避免混凝土主梁、索塔塔柱、索塔拉索錨固區的不利受力，使橋樑結構受力處於合理狀態，提出以下2項建議。

(1)換索施工宜選擇在氣溫適宜、風力較小的時期和月份進行，以減小溫度、風等外界條件的不利影響。

(2)更換的病害拉索宜和其對應的拉索(同索麵、同索塔)同步解除索力、同步張拉，且不平衡力最大不宜超過目標索力的10%[12]。

5 結語

以某雙塔雙索麵密索體系鐵路混合梁斜拉橋為工程背景，提出了一種無需中斷鐵路行車且僅拆除更換單根病害拉索的斜拉索更換方案，並基於空間非線性有限元手段，計算了拉索更換所致結構效應，論證了換索方案的可行性和安全性。

(1)對於密索體系斜拉橋，單根斜拉索的拆除引起的索力變化有限。

(2)經計算論證，本文提出的換索方案是安全可行的。

(3)鐵路斜拉橋的拉索更換施工，需合理安排各工藝的施工時段。拉索的拆除和掛設應在天窗時間內完成，以避免拉索掉落危及鐵路行車安全；換索前後的索力及高程測量、斜拉索張拉應在天窗事件開展，以規避橋面行車、溫度變化的影響。

(4)建議換索施工選擇在氣溫適宜、風力較小的時期和月份進行，更換的病害拉索應和其對應的索(同索麵、同索塔)同步解除索力、同步張拉。

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Design and Stress Analysis of Cable Replacement for Long Span Cable-stayed Railway Bridge

ZHANG Nai-le

(Huai Shao Heng Railway Co.， Ltd.， Changsha 410008， China)

Abstract：Because of the security insufficiency and functional degradation of stay cables， the cables of cable-stayed bridge should be replaced after a certain period of service. Based on a large span double track cable-stayed railway bridge， a cable replacement approach is proposed for a single defected cable replaced without traffic interruption. A three dimensional nonlinear finite element method is introduced to calculate the structure effect caused by the replacement. The result shows that every component of the bridge meets the requirement of the codes on cable replacement， and the proposed method is safe and feasible. Cable tensioning procedures and working conditions for cable replacement are put forward to ensure structural rationality of the bridge during the entire process of cable replacement

Key words：Railway bridge; Sable-stayed bridge; Long span; Stay cable; Cable replacement program; Single cable replacement; Stress analysis; Finite element calculation.

文章編號：1004-2954(2017)04-0079-04

收稿日期：2016-07-14；

修回日期：2016-08-01

作者簡介：張乃樂(1979—)，男，高級工程師， 2002年畢業於石家莊鐵道學院土木工程專業，工學學士，E-mail：735897872@qq.com。

中圖分類號：U448.27

文獻標識碼：A

DOI：10.13238/j.issn.1004-2954.2017.04.018

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