斜索又称拉索，是把斜拉桥主梁及桥面重量直接传递到塔架上的主要承重部材。斜拉桥的拉索材料通常为钢索，其形式按其组成方法而不同，可由平行钢丝，平行钢缆，单根钢缆，钢丝绳，封闭式钢索或实体钢筋组成。由于拉索系倾斜放置，故称斜索。斜拉桥由索塔、主梁、斜拉索组成。索塔型式有A型、倒Y型、H型、独柱，材料有钢和混凝土的。斜拉索布置有单索面、平行双索面、斜索面等。如武汉长江二桥、白沙洲长江大桥均为钢筋混凝土双塔双索面斜拉桥。斜拉桥可以追溯到1956年瑞典建成的斯特伦松德桥，主跨182．6米。历经半个世纪，斜拉桥技术得到空前发展，世界上已建成的主跨在200米以上的斜拉桥有200余座，其中跨径大于400米的有40余座。尤其20世纪90年代后，世界上建成的著名斜拉桥有：江苏省东部的南通与苏州之间的苏通大桥（主跨1088米），法国诺曼底斜拉桥（主跨856米），南京长江二桥南汊桥钢箱梁斜拉桥（主跨628米），以及1999年日本建成的多多罗大桥（主跨890米），世界上主跨度最大的是我国2008年建成的苏通大桥。

斜拉桥的拉索更换是因为拉索钢丝的锈蚀或断裂 , 必然导致拉索受力的重新调整 , 引起整个结构的不安全甚至破坏。因此 , 对锈蚀拉索进行更换是斜拉桥的常见工程。广东省南海镇九江大桥是325国道上的一座特大型独塔斜拉桥,主跨为2×160m独塔斜拉桥。拉索采用平行钢丝外加黑色低密度聚乙烯 PE 保护层结构形式。换索前的检测发现 , 大部分拉索的 P E 防护层出现开裂和剥落,钢丝锈蚀严重,直接影响大桥的结构安全。

1 . 1 施工现场准备

(1)搭设脚手架。旧拉索的拆除 , 新拉索的安装、张拉施工均需要操作平台。为便于人员上下和运送材料, 在每个塔柱四周布设钢管脚手架,支架材料采用 Φ 4 8 m m × 3 . 5 m m 的脚手架钢管,全部支撑在承台基础上,在支架内设置“ 之 ”字 型爬梯。为保证钢管脚手架的稳定 , 每隔 5 m 设一道夹持塔柱的水平横联。

(2)清理工作。

此项工作主要针对上锚杯、下锚箱、上下锚管的清理。首先 , 打开原上锚杯钢护筒,清除黄油、旧钢丝及锈迹。然后,对下锚箱外封钢板气割清除 , 利用空压机配以风镐凿除下锚箱内的残存混凝土。最后, 在上下锚箱清理工作完成后, 即着手对上、下锚管的清理。先拆除橡胶减振器, 凿除混凝土索座 , 割除多余锚管 , 利用电钻、风钻及钢钎将锚管内清理干净 , 然后在底锚管和索管之间进行防护, 在接点处采取注塑防护,严防雨水侵入。如果不进行清理工作, 拉索上锚具卸不下来。因此, 此项工作需换索前完成。

(3)核对拉索参数。

当塔和梁上的支架完成以后 , 打开拉索锚箱, 对拉索锚端的外露尺寸进行测量,以便计算、复核拉索制作长度。

1 . 2 施工机械准备

拉索更换工作需要的主要施工机械有卸索、挂索的连接器 , 张拉螺杆引出杆、张拉千斤顶及油泵、卷扬机、油表、反力架,垫板等。监测设备主要有索力仪和精密水准仪。

1 . 3 施工监控准备

在换索工程中需要进行全方位监控 ,主要针对索力和标高的监控。在卸索和张拉新索的施工程序中 , 运用索力仪和精密水准仪等仪器对所换索及相邻各索进行索力监测、对对应位置处的桥面标高位移进行监测,此外,还可以进行梁底或塔根部的混凝土应力监测。

2 . 1 卸除旧索

2.1.1 过程

在桥面安装收(放)索辊道并设置索盘,并清除梁上锚头钢护筒内混凝土 , 同时在索塔根部安装卷扬机, 塔顶安装定滑轮组,在梁上待换索位安装悬臂挂篮。用卷扬机将千斤顶吊至塔上 , 在塔上张拉端锚头上装好张拉设备, 对拉索进行松张。松张需进行两次松张对照 , 当两次油表读数差别不大时可进行卸索。卸索应分级进行, 卸索至大螺母与锚头连接剩下 4 ～ 5 个螺纹时 , 卸下张拉设备,安装软牵引装置,继续进行放松至索力小于5t。待拉索放松后,用卷扬机牵引滑轮组吊索 , 缓慢收紧至软索牵引装置完全松弛后,拆除软牵引装置,用卷扬机将索徐徐放下, 放在辊轴上。进入梁身段锚固端的挂篮,拆除固定端螺母,用卷扬机牵引将拉索下锚头抽出。最后将端头固定在空盘上收盘, 运出现场。

2.1.2 注意事项

(1)卸索时, 应特别注意记录锚具大螺母松开时对应的千斤顶油表读数 , 并进行两次放张,以便对照,差别不大时方可进行卸索;

(2)卸索过程中,应全过程跟踪观测梁顶面标高变化, 并与理论计算值进行对比,如有异常,应立刻停止斜拉索卸索工作,待找出原因后方可进行;

(3)卸索时,塔身两岸应对称进行 , 尽量保证主塔两侧受力平衡而不产生偏载。

2 . 2 新索安装

2.2.1 过程

将新索吊至锚固段附近 , 放置长度与索长相近,用卷扬机将拉索展开,平放在滚轮上。固定梁身段锚头, 确定拉索吊点安装夹具,将下锚杯放入下锚头钢护筒中,将下锚头固定螺母安装至指定位置。在距索端1 . 5 m 处安装夹具 , 将拉索与卷扬机连接缓慢提升拉索, 至锚头钢护筒附近。安装软牵引装置, 直至能与新索相连接。安装齿板和连接器,调整千斤顶与撑脚,将工具动锚卡紧。将转换套与软牵引连接器对正, 然后将连接器旋进转换套, 开始软牵引张拉。钢绞线慢慢收紧, 拉紧后拆除滑轮组吊钩。千斤顶行程2 0 c m后 , 锁定工具定锚 , 油泵回油 ,工具动锚回到原位。然后重复此程序, 直至拉索锚头进入钢护筒并行进至另一端露出3个螺纹 , 将固定螺母旋紧。卸除软牵引装置,安装张拉设备。检查无误后开始张拉;两侧千斤顶同步逐级加载至旧索卸载吨位;测频法复核索力及梁、塔测量, 调整索力至符合要求;拧上拉索螺母。

2.2.2 注意事项

(1)挂新索前用精密水准仪对桥面高程进行测量 , 测出拉索挂索前的桥面高程。

(2)新拉索展开时,用滚筒作为铺垫,目的是保护拉索防护层不被划伤或破坏。

(3)张拉新索应缓慢、分级进行;当索力达到设计索力时 , 持荷 1 0 m i n , 此时需检查更换的新索索力是否达到原有索力 , 桥面高程是否恢复到换索前的高程。当确认索力和高程恢复到原有的索力和高程时 , 即可进行下一根拉索的更换。

2 . 3 换索顺序

拉索逐根更换 , 并采取双向对称进行方式, 即每次于塔柱两侧对称各更换一束,更换完成以后 , 于另一塔柱两侧再对称各更换一束, 交替进行。同一索号更换完成后再进行下一索号更换。在更换斜拉索时, 每束均按设计给定的索力进行张拉锚定 , 待同一索号斜拉索全部束均更换完毕后 , 全部的束再同时张拉进行索力调整 , 使其达到给定的索力。

拉索更换工程中主要监控指标是索力和桥面标高 , 若对索力的大小及分布控制出现偏差 , 将会引起斜拉桥主梁内力分布变化 , 有可能最终使结构偏离原设计的理想状态,因此,换索后需进行必要的索力调整。调索的计算方法主要有影响矩阵法、逼近法、数学规划法等, 应结合具体工程进行选择方案反复调整。调索的原则是应兼顾主梁混凝土应力、主梁线形以及塔位的变化。具体来讲 , 调索应使主梁的局部下挠有所缓解 , 尽可能接近竣工线形; 同时应使主梁上、下缘混凝土应力适度增减 , 避免产生过大的拉应力 , 以保证主梁的安全。

斜拉桥是由索、塔、梁组成的组合体系.在这种体系中, 斜拉索对主梁提供了中间的弹性支承作用, 使得主梁具有很大的跨越能力.因此, 保证斜拉索锚固可靠, 正确传力, 是设计中的关键.在斜拉桥中, 索的锚固部位主要有两处:其一是在主梁上, 另一是在塔体上.由于现代斜拉桥的桥塔已越来越多地采用预应力混凝土结构, 因此, 斜拉索在塔上的锚固构造就成为工程设计中尤其需要关心的重大构造细节问题.本文以实际工程为背景, 运用光弹模拟试验技术和现代有限元分析软件, 对混凝土桥塔的斜索锚固区段进行了详尽的空间应力分析, 并对锚固区的受力特点进行了分析探讨.本文中分析所采用的斜拉桥, 其主塔设计为预应力混凝土结构, 塔的外观在横桥方向呈倒Y形, 其上部独柱部分为斜拉索锚固区段, 截面采用变截面空心箱形, 斜索穿过塔壁直接锚固在内侧箱壁之上.该桥的斜索采用单索面布置, 但在纵立面上的每根斜索则由横向并列、中心间距为1.2m 的2 根索组成,在主塔两侧各有29 对斜拉索.在光弹模拟试验和有限元计算模型中, 仅取塔顶以下局部的锚固区段(两侧各有7对斜拉索).

1.1分析思路

在斜拉桥斜索锚固区局部应力分析中, 一般作法是先对整个结构利用杆系有限元法进行分析, 得出断面的组合内力和优化的斜拉索力之后, 再取适当的局部区段进行三维空间实体有限元分析和光弹模拟试验.在本文的桥塔锚固区分析中, 所取的局部区段自塔顶以下两侧各有7对斜拉索, 可以保证中间斜索锚固区的应力分布不受下端位移边界效应的较大影响.

1 .2 有限元计算模型

由于桥塔斜索锚固区段的构造特点, 有限元计算模型采用了高效的、8节点Wilson不协调块体单元来模拟塔体, 并采用边界单元来模拟位移边界条件, 以提供计算反力, 进行平衡验算.计算模型的网格生成、荷载和材料性质以及边界单元的导入, 全部由图形界面的前处理程序完成, 并自动形成有限元计算所需的数据.由于采用图形输入方式, 因而可以建立规模宏大、十分复杂的计算模型, 比较可靠地模拟实际结构的受力特点.图2为所取局部分析区段有限元计算模型的三维消隐网格图形, 该模型共有5 824个块体单元, 654个边界单元和8 464个网格节点, 求解方程总数达到24 586个.

2.1计算结果平衡验算

由于有限元分析规模较大, 为保证计算结果的可靠性, 必须进行力的平衡验算.利用边界单元输出的反力, 可以对计算反力和外力进行平衡验算.表1是计算反力与外力的比较结果, 从表中可见, 力的平衡条件得到了相当好的满足.此外, 还应用典型剖面上的应力计算结果, 对剖面上的竖向内力和水平两个方向上的内力与索力进行了平衡验算, 结果表明, 内外力的平衡误差约为5.8%, 这表明内外力的平衡条件也得到了很好的满足.

2 .2 应力集中分析

有限元计算结果和光弹试验表明, 桥塔斜索锚固区段的应力集中部位主要出锚板下方.分析结果表明, 锚板下局部应力集中的范围较小, 其影响基本局限在锚板下方0.9 m(大致相当于锚板的尺寸大小)的方块以内, 锚下最大主压应力值为12.6MPa.由于锚下应力集中区为三向受压区, 因此对预应力混凝土桥塔结构, 只要采取适当的构造措施, 即可解决这种应力集中问题.

2 .3 主压应力和最大剪应力分析

在强大的斜拉索力作用下, 塔体内一般会受到较大的压应力和剪应力作用.计算结果表明, 分析区段塔内最大的主压应力值为12.6 MPa ,塔内最大剪应力值为4.79 MPa ,塔内较大的主压应力值大都出锚下应力集中区, 而较大的剪应力值则出上下两块锚板之间和箱体截面角点处.这个结果表明, 桥塔采用预应力混凝土结构是一种很适宜的方案.

2 .4 水平向应力分析

斜拉桥的桥塔在竖向以受压为主.从有限元计算和光弹试验结果来看, 在斜索力作用下, 分析区段塔内出现的竖向最大拉应力值为2 .00 MPa ,压应力值为9.93 MPa .因此,对预应力混凝土桥塔,竖向方向往往不是设计要点, 设计的关键是要力避水平向的拉应力.对计算和光弹试验结果的分析表明, 索力引起的塔内水平向应力, 在空心箱形截面上有分区域分布的规律:即在有斜索直接锚固的箱体部分,水平顺桥方向(x 轴方向)以压应力为主,横桥方向(y 轴方向)靠箱体内壁部分受压,靠箱体外壁部分则受拉;没有斜索锚固的箱体部分 水平顺桥方向受到较大的拉应力作用, 横桥方向受到的应力数值则很小.分析还表明, 斜拉索力在水平方向的分量(只有顺桥方向有分量)大部分传递到箱体的C ,D 部分区域,即箱体C ,D 部分区域承担了大部分的斜拉索力的水平分量,因而其内部出现了较大的水平顺桥向拉应力;同时, 由于斜拉索力在横桥方向没有力的分量, 因此, 箱体C, D部分区域在横桥方向基本上没有受到大的应力作用.图3以应力等值线的形式显示了3个不同横截面上水平应力的分布情况, 其中1-1剖面所取的位置在分析区段中间的上下两块锚板之间, 2-2剖面位于分析区段中间锚板上缘, 3-3剖面取为通过分析区段中间锚板的中心点, 图中括号内的数值为光弹试验测值.由图3 可见,箱内水平应力对称于x 轴分布.其中,箱体A ,B 区域部分横桥向拉应力以外壁中心最大,向内和四周逐渐变小, 横向拉应力区分布范围约为从外壁向内延伸0.9 m;箱体C, D区域部分顺桥向拉应力在内壁较大, 外壁较小, 在角点处拉应力值最大.。为了研究塔内水平向拉应力在塔体竖直方向的分布规律, 取了2个典型的剖面:剖面Ⅰ-Ⅰ取在塔体B 侧(索力较大的一侧)外壁,用于分析横桥方向拉应力σy在竖向的分布规律;剖面Ⅱ-Ⅱ取在D 区域部分箱体内壁, 用于分析顺桥方向拉应力σx在竖向的分布规律(见图1).图4显示了这2个剖面在取不同水平位置时应力在竖直方向的分布情况.由图中可见, 如果不考虑边界效应, 则塔内水平向应力在竖直方向上的分布基本是均匀的.这表明在斜索锚固区段所取的优化索力的情况下, 上下两对斜索的索力对塔内水平应力相互之间的影响很小.

桥塔斜索锚固区局部区段的光弹模型试验, 采用1/60的比例模型按相似准则整体一次性制作, 并采用机械加载方式, 按实际荷载条件施加模拟的斜拉索力 。

从上述有限元分析中可以得到如下结论:

(1)桥塔斜索锚固区局部应力集中的范围较小, 局限在锚板下约为锚板尺寸大小的方块内, 锚下最大主压应力值为12.6 MPa .因此,在预应力混凝土桥塔设计中,锚下应力集中不是主要问题.

(2)混凝土塔体在斜索锚固区段内竖向以受压为主, 在分析区段内由索力引起的最大压应力值为9 .93 MPa .

(3)斜索锚固区段采用箱形截面的桥塔, 索力的水平分量在没有斜索锚固的箱体部分内引起较大的顺桥向拉应力, 在斜索直接锚固的箱体部分, 引起靠外壁部分、横桥向较大的拉应力.因此, 顺桥向预应力筋应布置在没有斜索锚固的箱体部分内, 横桥向预应力筋则重点布置在斜索直接锚固的箱体靠外侧部分内.

(4)塔体水平应力在竖向分布较为均匀, 而且上下两对斜索的索力对塔内水平应力相互之间的影响很小.因此, 预应力钢筋在竖向可以采用等间距布置的形式.

(5)从本文的有限元计算结果和光弹模型试验结果的比较来看, 二者相当吻合.