悬索桥悬吊系统的施工控制及养护维修
2010-07-14
现代悬索桥以1883年美国建造的布鲁克林桥为起点，至今已经历了一个多世纪。1995年建成的广东汕头海湾大桥，是我国的第一座现代悬索桥。与国外相比，我国悬索桥起步较晚，特别是在悬索桥的使用和养护维修方面还没建立起相应的规范。笔者根据对国内几座悬索桥的资料进行研究分析并查阅了国外的一些相关资料和经验，对悬索桥的悬吊系统施工控制及养护维修方法作了简单的介绍。
1.悬吊系统的组成
悬索桥的悬吊系统由两根主缆和若干根吊索组成，还包括主索鞍、散索鞍、锚杆、锚楔、吊杆锚板、索夹、吊索夹具等。主缆大多采用双面主缆，一般是一侧布置一根，个别的有一侧用两根主缆的设计。大多数主缆由多根平行高强钢丝束股组成，每根钢丝束股由几十根，甚至几百根单根平行钢丝组成。主缆通常都采用镀锌钢丝，为了进一步增强防锈能力，在主缆四周涂以锌粉膏和防锈剂，再用直径4 mm软退火的镀锌钢丝缠绕，然后在上面再涂防锈漆，以形成双重防锈。为了完全防水，主缆箍处产生的间隙要填充密实材料。钢丝束股两端配有专用锚具，在锚旋区主缆分散，无法用镀锌钢丝缠绕，故采取在锚旋箱内吹风除湿的措施。主缆的防护主要包括镀锌钢丝、密封和涂刷防锈漆等。
2.悬吊系统的施工控制
悬吊系统的施工控制大多采用有限元法和迭代解析法，有限元法一般先根据各施工阶段和成桥时受力及线形要求，循环迭代出空缆状态，在此基础上向前计算各施工阶段结构的受力和变形。但由于施工过程中许多不定因素的存在，实际结构参数和实际施工荷载不与其相符，施工到一定阶段时，需向前计算至成桥状态，循环逼进出施工阶段的理想状态，因此用有限元法计算太繁琐。而迭代解析法是先根据成桥设计状态算出主缆的无应力长度，在结构施工及建成后，不管结构温度如何变化，如何移位及加载，任意一索段的无应力长度始终不变。根据这一原理计算空缆状态和各施工状态，计算过程无重复迭代。
2.1 成桥线形
在成桥状态，主缆和加劲梁构成组合体系，共同受力，吊索是连接加劲梁和主缆的纽带，主缆所受荷载为沿弧长均布的主缆自重（包括缆丝和防护）及通过吊索传递的集中荷载（加劲梁自重和二期恒载），悬索桥的受力图示可简化为承受沿弧长均布荷载和在吊索处作用的集中力的柔性索。以吊点间的某一微段为研究对象，在沿弧长均布荷载作用下，建立平衡微分方程，即得各吊点间悬索线型为悬链线。根据各吊点处的受力平衡条件，可求出成桥状态主缆的有应力长度和线形，扣除成桥时主缆的弹性伸长，即可求得主缆的无应力长度。
2.2 顶推预偏量
在加劲梁吊装过程中，假定主鞍座在塔顶处于自由滑移状态，随着加劲梁的架设，主索鞍将逐渐向跨中滑移。而在实际吊装过程中，鞍塔是固结的，塔受到向跨中的水平推力作用，为保证塔身应力不超过容许值，需事先设置一预偏量，当塔身应力超过容许值时，就将主索鞍向跨中顶推一定量值，到成桥状态时，主索刚好顶推到设计位置。主索鞍预偏值的设置原则是:保证各跨主缆无应力索长空挂于索鞍上，索段在鞍槽内不滑移。
2.3 空缆状态时索夹安装位置
为保证成桥时吊索处于正确位置，需计算空缆状态索夹的安装位置，计算的原则是空缆时索夹间的无应力长度等于成桥时索夹间的无应力长度，由空缆状态下的索力水平分量及塔顶处竖向支承力、各吊点间的无应力长度、吊点处的坐标来确定索夹安装位置。
3.悬吊系统的养护维修
3.1 悬吊系统的养护维修
对悬吊系统的养护维修工作主要包括:定期对吊索系统各零部件涂刷防锈漆，已经锈蚀时要及时除锈和重新涂防锈漆；检查索夹的拉杆有无松动，有无裂纹和损坏，索夹的泄水孔是否畅通，根据对索夹的检查结果，采取相应措施，如紧固或更换索夹，更换高强拉杆和垫圈，清除污垢和积水等；当吊索发生裂纹和破损时，要予以更换。
3.2 主缆系统的养护维修
主缆系统的养护维修应注意以下方面：要经常养护维修主缆的通道；若主缆缠丝的油漆膜损坏或分层剥落，要清洗后重新涂刷防锈漆，若缠丝断裂并散开，应先清洗除锈后再重新绕丝涂油漆；塔顶主鞍座要经常清扫，防止尘土、雨水等腐蚀引起锈蚀，如有锈蚀，要除锈并重涂防锈漆，要防止螺帽松动和锈蚀；要保持锚室内规定的温度(22℃左右)和湿度(50%以下)，养护人员要每天检查并做好记录，并要保持通风、恒温、恒湿设备和照明设施的正常运转，及时处理锚室内的雨水或积水，防止主缆锈蚀。
3.3 加劲梁及主缆线形的变化
在长期营运过程中，由于主缆松弛或载重量的加大（如交通量增长过大，附属设施的增加），导致主缆和加劲梁线形发生变化，若此变化导致加劲梁的挠度过大影响到正常使用或严重影响到美观效果时，要定期对其进行适当的调整。调整中应注意，调整螺帽改变加劲梁标高会加大加劲梁的局部受力，调整主缆的线形应尽量与设计单位研究。
3.4 索夹在主缆上滑移时调整的方法
索夹在主缆上产生滑移时，要先找出其产生的原因，再根据其原因采取相应的措施。滑移产生原因主要有以下两种:高强拉杆的拉力松弛，使拉杆增长，索夹与主缆的夹紧程度降低；在长期使用后主缆的挤紧程度提高，空隙率减小，索夹与主缆的夹紧程度减弱。
由于索夹在主索上的滑移，由竖索变成斜吊索，会改变吊索与梁的受力状态，同时，索夹在主缆上的滑移，会划伤主缆缠丝，损坏除锈层，破坏缠丝，使主缆受损伤，因此应当加以调整，其方法是定期补足高强拉杆的预拉力，使索夹与主缆的夹紧程度保持恒定，使拉杆的预拉力保持到设计值。
4 结语
本文基于悬索桥在恒载作用下的力学特点，建立了悬吊系统施工控制计算的解析迭代法，由此可确定恒载状态下成桥线形、主缆无应力长度，并可迭代出空缆线形、主缆鞍顶预偏量及索夹安装位置等。除此之外，要注意悬吊系统是悬索桥的重要部分，必须经常或定期地进行维修和养护，降低吊索和主缆的锈蚀程度，通过调整减小加劲梁和主缆的变形，提高悬索桥的使用性能和使用寿命。
参考文献：
[1〕程进、华孝良：悬索桥主缆的结构分析[J]，西安公路交通大学学报，1998，18(3):25-28。
