衡山湘江大橋換索工程研究

謝福君，張家生

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衡山湘江大橋換索工程研究

謝福君1,2，張家生1

(1. 中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075； 2. 衡陽市交通運輸局 湖南 衡陽 421001)

結合衡山湘江大橋斜拉索換索工程并基于最優化原理，介紹索力的優化理論，研究該橋的換索原則、方案及其施工工藝。研究結果表明：在換索工作中，主梁的彎矩、軸力，索塔根部彎矩、軸力均呈現周期性變化。拆除舊索，引起其它拉索產生內力重分布，索力變化明顯。拆除某號拉索，影響最大的是與之相鄰的2根索，索力均增大，其次影響最大是索塔背面相近拉索，索力均減小。而其他有關拉索在被更換時，該索的索力所受到的影響相對較小。拆除舊索，主梁線形及塔頂位移發生變化，近似呈現周期變化。根據最優化原理，調索最終(實測)索力與理論索力基本一致，最大誤差約1%。

最優化；斜拉橋；換索；過程

斜拉橋具有超大的跨度，近年來在我國的應用日漸增加。這種橋梁在長期使用過程當中，一些問題也開始暴露出來，例如斜拉索極易損壞，保養的難度較大，尤其是換索工程，不僅對施工工藝有著嚴格要求，而且換索方案和原則還沒有統一，換索質量和施工模式還沒有確定，這些都需要在換索時進行重點關注[1]。李宏江[1]對當前的拉索檢測與評定技術現狀進行了分析與評價，指出新橋的設計應當對運營期換索問題予以充分的考慮，同時應著力開發不中斷交通條件下的換索技術。成永強[2]通過對國內外既有斜拉橋換索實例的調研，總結了既有斜拉橋換索的經驗，提出了現有換索技術的不足，并給出了建議。孫全勝等[3]運用神經網絡理論，結合一座雙塔三跨混凝土斜拉橋換索施工過程，對斜拉橋換索過程索力和主梁標高進行預測研究。孫全勝等[4]通過建模計算分析，將參數增量變化分析方法運用于皎平渡斜拉橋換索工程實踐。蘭建雄[5]介紹了上海恒豐北路斜拉橋換索的施工工藝、拉索安裝索力計算、施工支架和換索期間的交通組織措施。田波等[6]介紹了重慶市涪陵長江大橋換索涉及的相關設計內容及其技術特點。唐繼舜等[7]結合岷江大橋換索工程，詳述了斜拉橋索力監控測量、換索方法及施工過程監控。朱戰良[8]介紹了廣東九江大橋(斜拉橋)的拉索病害調查、新索設計、換索施工工藝、調索方案比選及計算、調索工藝等。張 恒[9]介紹了一種基于切割換張法的快速更換拉索技術。孫全勝等[10]結合皎平渡斜拉橋換索工程，運用卡爾曼濾波法對斜拉橋換索進行施工控制。施洲等[11]通過鍵為崛江大橋換索工程前后的兩次檢測與荷載試驗，表明換索前索力異常，換索前的檢測驗證了斜拉索存在嚴重的病害，兩次固有頻率的測試結果表明斜拉索病害會明顯導致結構固有頻率值降低。李劭暉等[12]結合西樵大橋換索工程，探討了斜拉橋換索過程中的施工監控技術。本文以衡山湘江大橋為工程背景，對該橋的換索方案進行了全面分析，重點研究其換索工藝、方法和施工及其工藝的管控等方面，通過對此換索工程的研究，從而為同類斜拉橋的日后維護提供一定的參考。

1 索力優化原理

式中：M為結構方向彎矩；M為結構方向彎矩；為結構的扭矩。

結合主梁線形約束目標函數，即至少有N個關鍵點的標高接近或等于指定的標高，見式(2)。

式中：d為由x=1引起序號為的節點豎向位移。

采用懲罰參數法，構造一個懲罰函數P,見式(3)。引入懲罰函數，構造新的泛函，見式(4)。

求解式(5)，X極為所求的斜拉索索力增量。

2 工程概況及換索方案與原則

衡山湘江大橋位于S314省道K19+452 m處，主橋為三塔單索面平行索預應力混凝土斜拉橋(3×45 m＋2×90 m＋2×45 m)，采用單箱單室箱型截面。其中一塔對應的拉索為12條，共6對，具體布置見圖1。

圖1 橋梁編號化處理

表1 衡山湘江大橋斜拉索的更換順序表

在施工時，其主梁內應力以及相關的拉索作用力都會出現顯著改變，為了讓這種變化效應變得更小，可以按照下面的原則來更換：

①先在中塔處更換，然后再進行邊塔更換，即按照26號塔、25號塔、27號塔的順序進行更換(考慮結構的對稱性及施工因素，同時確使換索施工對結構的影響最小)；②優先更換短索，然后再進行長索更換；③施工工藝為反對稱，也就是按照上下游進行錯落式反對稱方法更換；④每次僅更換1根索；⑤當1對拉索被更換成功之后，還需要對它們的作用力進行分析，直到作用力符合要求，才能進行下1對的更換；⑥更換拉索時，當天必須要完成1根；⑦如果拉索的安全系數值已經很小，此時需要對其進行優先式更換。

衡山湘江大橋斜拉索的更換順序見表1。

3 衡山湘江大橋換索工程施工過程分析

首先結合施工設計，使用MIDAS分析系統，對該大橋的換索工程進行仿真模擬分析。

該橋有限元模型共計376個節點，390個單元，采用變截面梁單元模擬主梁和索塔，采用只受拉桁架單元模擬斜拉索。為了將整個模擬過程進行簡化，可以預設換索之后的索力和設計要求的索力一致，即任一根拉索更換完成之后對全橋結構不產生影響。

結合此橋的換索工程，當舊拉索被撤出時，就是對應的時間點，各個舊索拆除施工過程，主梁關鍵截面(例如邊跨跨中、主梁索塔支點截面、中跨跨中截面)等相關的應力改變，可以參見圖2~3。

(a) 邊跨跨中；(b) 中跨跨中；(c) 主梁25號塔支點；(d) 主梁26號塔支點

圖2中，在換索工作中，主梁彎矩的變化具有顯著周期性。另外，在對1號索對進行拆除時，中跨、邊跨的跨中截面受到顯著影響，另外25號的索塔支點截面彎矩也受到最大影響。分別達到?5 190.86 kN?m，7 157.07 kN?m及?12 576.94 kN?m；拆除9號舊索對主梁26號索塔支點截面彎矩影響最大，達到?17 145.85 kN?m。

同理，由圖3可得，拆除舊索，引起主梁軸力呈現周期性變化。經過計算可知，在拆除時，中跨的跨中截面軸力受到的影響最低。而2號舊索對被拆除時，其跨中截面軸力將會受到最大影響，其值為1 649.46 kN；拆除3號舊索對主梁25號索塔支點截面軸力影響最大，達到1 435.58 kN；拆除9號舊索對主梁26號索塔支點截面軸力影響最大，達到2 119.73 kN。

衡山湘江大橋各個舊索拆除施工過程，索塔根部截面內力見圖4~5。

(a) 25號索塔根部；(b) 26號索塔根部

由圖4~5可以看出，拆除舊索，引起索塔根部彎矩、軸力呈現周期性變化。計算表明，拆除4號舊索對25號索塔根部截面彎矩影響最大，達到?20 301.0 kN?m；拆除10號舊索對26號索塔根部截面彎矩影響最大，達到?29 506.33 kN?m；拆除13號舊索對25號索塔根部截面軸力影響最大，達到?1 271 kN；拆除16號舊索對26號索塔根部截面軸力影響最大，達到?2 070.71 kN。

(a) 25號索塔根部；(b) 26號索塔根部

根據衡山湘江大橋換索工程的施工順序，以各舊索拆除為時間節點，各個舊索拆除施工過程，拉索索力變化見圖6。

圖6 換索時對應的索力分析

由圖6可以看出，拆除舊索，引起其他拉索產生內力重分布，索力變化明顯，通過計算可知，當進行更換工程時，8號拉索的索力變化最大，即換索之前8號索力為4 404.809 kN，拆除7號索，8號索力為6 309.263 kN，相對變化達到43.23%。換索過程索力的相對變化見圖7。

為了具體分析舊拉索拆除過程各個拉索的索力變化，分別選取1，3，4，6，7及9號拉索為研究對象，各索索力變化見圖8。

由圖8可以看出，拆除某號拉索，影響最大的是與之相鄰的兩根索，索力均增大，其次影響最大是索塔背面相近拉索，索力均減小。而其他有關拉索在被更換時，該索的索力所受到的影響就相對較小。

圖7 換索過程索力的相對變化

(a) 1號拉索；(b) 3號拉索；(c) 4號拉索；(d) 6號拉索；(e) 7號拉索；(f) 9號拉索

根據衡山湘江大橋換索工程的施工順序，以各舊索拆除為時間節點，各個舊索拆除施工過程，主梁的邊跨、中跨的跨中撓度變化趨勢可以參見圖9。邊塔及中塔塔頂位移變化見圖10。

(a) 邊跨跨中；(b) 中跨跨中

(a) 邊塔；(b) 中塔

由圖9可得，拆除舊索，引起其它拉索產生內力重分布，主梁線形發生變化，近似呈現周期變化。根據計算結果，主梁關鍵點—例如邊跨跨中、中跨跨中撓度變化幅度較大，最大幅度分別為?8.77 mm和?40.87 mm。

由圖10可得，拆除舊索，引起其他拉索產生內力重分布，塔頂位移近似呈現周期變化。根據計算結果，邊塔塔頂、中塔塔頂位移變化幅度較大，最大幅度分別為5.39 mm和?7.42 mm。

4 衡山湘江大橋最終索力

根據索力優化原理，選取主梁四分點、跨中撓度及塔頂位移為控制指標，假定結構的現存內力與期望的設計內力相符，罰函數中引入=108，采用MIDAS軟件進行結構計算(MIDAS計算模型見圖11)，結合期初的實測索力，衡山湘江大橋確定得到的最終索力見表2。具體對比見圖12~13。

圖11 MIDAS計算模型

圖12 上游側理論索力與實測索力比較圖

由表2、圖12~13可以看出，調索最終(實測)索力與理論索力基本一致，最大誤差約1%。

圖13 下游側理論索力與實測索力比較圖

表2 衡山湘江大橋換索工程理論最終索力與實測索力一覽表

5 結論

1) 根據擬定的換索方案，在舊索的拆除、更換施工過程中，主梁彎矩、軸力呈現周期性變化；索塔根部彎矩、軸力也呈現周期性變化。

2) 拆除舊索，引起其它拉索產生內力重分布，索力變化明顯。計算結果表明，拉索更換過程中，8號拉索的索力變化最大，相對變化達到43.23%。拆除某號拉索，影響最大的是與之相鄰的兩根索，索力均增大，其次影響最大是索塔背面相近拉索，索力均減小。而其他有關拉索在被更換時，該索的索力所受到的影響相對較小。

3) 拆除舊索，主梁線形及塔頂位移呈現近似周期變化。根據最優化原理，調索最終(實測)索力與理論索力基本一致，最大誤差約1%。

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(編輯 涂鵬)

Research on cables replacement for Hengshan Xiangjiang bridge

XIE Fujun1,2, ZHANG Jiasheng1

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 2. Transport Bureau of Hengyang City, Hengyang, 421001, China)

Based on an optimization theory, the optimization theory of cable force is introduced first. Take Hengshan Xiangjiang bridge as an example, the cables’ replacement plan and principle and construction technology are detailed introduced. During the construction period of cables replacement, bending moment and axial force of main girder appear periodic changes as well as bending moment and axial force at the bottom of cable tower. When demolishing one old cable, other cables’ tension has obvious redistribution. Replacement of a cable has the greatest influence on the adjacent two cables, their cable forces increase. It has the second greatest influence on similar cables on the back of cable tower, their cable forces are reduced. Other relevant cables are replaced, the impact of the cable is relatively small. During the construction period of cables replacement, the girder alignment and displacement at the top of the tower approximate change periodically. According to the principle of optimization, the finally completed cable force that is measured is basic consistent with its theoretical value, the maximum error is about 1%.

optimization; cable stayed bridge; cable replacement; process

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2018.10.016

U442.5+；U445.6

A

1672 ? 7029(2018)10 ? 2565 ? 09

2017?08?26

國家自然科學基金資助項目(51378514)

張家生(1964?)，男，湖南長沙人，教授，博士，從事土木工程設計與施工仿真研究；E?mail：zjsdj@mail.csu.edu.cn