近年來，隨著我國交通事業的迅猛發展，修建了許多大跨度、特大跨度橋樑跨越峽谷、海峽、陸島和大江大河。懸索橋是跨越能力最大的橋型之一，而吊索作為懸索橋的主要傳力構件，為纖細構件，在不同環境中對於損傷是最為敏感的構件。材料性質、使用環境和施工等因素，空氣中的氧化氣體以及雨水等進入索體，易造成鋼絲的腐蝕；車輛荷載、風荷載、雨振風振等動力作用，導致索體鋼絲承受循環荷載作用，導致其疲勞失效，因此，吊索的壽命遠小於橋樑結構的壽命。例如，英國克萊夫頓大橋曾經更換過長吊索和短吊索，如圖1所示。
圖1a 英國克萊夫頓大橋長吊索更換
2009年，江陰大橋由於短吊索軸套磨損異響的問題，已經對52根短吊索（鋼絲繩）進行了更換，並形成了成熟安全的「單吊點」施工工藝。但是由於長吊索（平行鋼絲）的特殊性，採用同樣的更換技術，在鬆弛同樣索力的情況下，必然會導致更大的應力場變化，損傷主纜和主梁，從而影響結構安全。大橋自1999年建成通車，距今已19年，而吊索設計壽命為25年，為了進行技術儲備和可能出現的應急維修，有針對性地分析研究長吊索更換技術具有非常重要的意義，可以為大橋運營後期的長吊索批量更換提供依據。
圖1b 英國克萊夫頓大橋短吊索更換
計算荷載 建立模型
江陰大橋主跨1385米，是國內首座跨徑超千米的特大型鋼箱梁懸索橋，1994年開工建設，1999年10月建成通車。大橋吊索採用銷接式，全橋布置170個吊點，每個吊點有兩根吊索，共340根吊索，並在每一個吊點的鋼箱梁耳板位置設計了預留孔，方便後期吊索更換。其中長度大於10m的長吊索（1#～33#及54#～85#）採用帶PE護套的平行鋼絲索股，索股由109根5.0mm鍍鋅高強鋼絲構成；長度小於10m的短吊索（34#～53#）採用80IWRC鋼絲繩加PE防護套。吊索上、下錨頭均為叉形熱鑄錨，由錨杯與叉形耳板構成，錨杯內澆鑄鋅銅合金，叉形耳板與錨杯用螺紋連接。
根據吊索內部鏽蝕斷絲病害檢測結果，大橋下游19#N吊索存在滲水現象，疑似鏽蝕。所以此次針對下游19#N吊索更換進行有限元分析，該吊索為Φ5-109平行鋼絲拉索，長46.99m，設計恆載索力73t，具體位置如圖2所示。
圖2 更換吊索位置圖
計算荷載
根據《公路橋涵設計通用規範》（JTG D60-2004）除對施工階段進行控制計算外，使用階段分別針對不同構件進行不同組合，當汽車、溫度荷載與恆載效應組合時，均為選擇性組合，即不利時參與組合，有利時不參與組合。
根據分析，得出最不利載荷組合為：
D+L1+W+T(+)
吊索更換過程模擬均按此組合情況進行計算。
D：恆載
L1：車輛活載（汽車-超20）
T（+）：
鋼構件：升溫30℃，降溫30℃
混凝土構件：升溫30℃，降溫30℃
溫度梯度：索塔溫差及加勁梁橫向溫差荷載均按10度考慮。
W：橫橋向風荷載
主梁風荷載僅計算橫橋向風力。根據江陰大橋設計文件，大橋主梁橫向風載設計風速為27.1m/s，參考《公路橋涵設計規範》，主梁橫向風載可取4.064kN/m。
有限元模型
通過MIDAS建立了江陰長江大橋三維模型，共建立1555個節點，1039個單元，主纜、吊索採用索單元模擬，主纜採用單梁模擬，主塔採用變截面梁單元模擬，如圖3所示。
圖3 有限元模型
工況分析
為儘量減少對橋樑永久結構的影響，避免在吊索錨固區進行開孔、焊接等作業，吊索更換時，均考慮利用預留孔，在永久吊索旁安裝臨時索夾及臨時吊索，通過張拉臨時吊索的方式，完全釋放更換吊索索力後進行拆除更換。
跨中短吊索部分可以通過單個臨時吊點提升的方式完成更換，隨著吊索長度的增加，吊索彈性伸長同步增加，單個臨時吊點提升難以完成吊索更換，因此，考慮在更換吊索兩側對稱增加臨時吊索提升。針對19#N吊索設計以下兩種工況。
「三吊點」吊索更換受力分析
在下游18#、19#、20#吊索處安裝臨時索夾及臨時吊索，如圖4所示。張拉臨時吊索，在19#吊索索力卸載後拆除，驗算臨時吊索、吊索、主纜、主梁等的變形、受力狀況，以及索夾的抗滑安全係數。
圖4 三吊點吊索更換示意圖
（1）吊索索力
從上表可知，臨時吊索最大索力近240t，臨時吊索對下游吊索、主纜及主梁影響較大，對上游吊索、主纜及主梁影響較小。
臨時吊索加載後，定義吊索索力減幅大於5%的為影響區域，因此，臨時吊索影響區域為下游16#～22#吊索區域。
（2）下游19#吊索附近主纜及主梁位移
如表4和表5所示，主纜下拉，主樑上提，相對位移達到了0.116m。恆載下19#吊索彈性伸長為0.085m，相對位移比19#吊索彈性伸長量大0.031m，大於19#臨時吊索恆載至最不利組合載荷下的彈性伸長0.006m。因此，即使在最不利組合載荷下，需要更換的19#吊索仍被壓縮了6mm，可以被順利地更換下來。
綜上，主纜及主纜的豎向位移也顯示臨時吊索對下游吊索、主纜及主梁影響較大，對上游吊索、主纜及主梁影響較小，且影響區域為下游16#～22#吊索區域。
（3）索夾抗滑驗算
根據《公路懸索橋設計規範》（JTG/T D65-05-2015），取摩擦係數0.15，緊固壓力分布不均勻係數2.8，18#～20#索夾共8顆高強螺栓，單根螺栓預緊力76.3t。即使不考慮臨時索夾所提供的抗滑力，僅永久索夾在螺栓復擰到位的情況下，其抗滑安全係數均大於3，詳見表6，滿足規範要求。
「五吊點」吊索更換受力分析
考慮到「三吊點」最大臨時吊索力接近240t，梁端臨時吊索耳板應力較大，在下游17#、18#、19#、20#、21#吊索處安裝臨時索夾及臨時吊索，並張拉臨時吊索，在19#吊索索力卸載後拆除，驗算臨時吊索、吊索、主纜、主梁等的變形、受力狀況以及索夾的抗滑安全係數。
圖5 五吊點吊索更換示意圖
（1）吊索索力
綜上，臨時吊索最大索力約205t，臨時吊索對下游吊索、主纜及主梁影響較大，對上游吊索、主纜及主梁影響較小。
臨時吊索加載後，我們定義吊索索力減幅大於5%的為影響區域，因此，臨時吊索影響區域為下游15#～23#吊索區域。
（2）主纜及主梁位移
如表10和表11所示，主纜下拉，主樑上提，相對位移達到了0.11m，恆載下19#吊索彈性伸長為0.085m，相對位移比19#吊索彈性伸長量大0.025m，大於19#臨時吊索恆載至最不利組合載荷下的彈性伸長0.002m。因此，即使在最不利組合載荷下，需要更換的19#吊索仍被壓縮了2mm，可以被順利地更換下來。
綜上，根據主纜及主纜的豎向位移，臨時吊索對下游吊索、主纜及主梁影響較大，對上游吊索、主纜及主梁影響較小，且影響區域為下游15#～23#吊索區域。
（3）索夾抗滑驗算
根據《公路懸索橋設計規範》(JTG/T D65-05-2015),取摩擦係數0.15，緊固壓力分布不均勻係數2.8， 17#～21#索夾共8顆高強螺栓，單根螺栓預緊力76.3t，即使不考慮臨時索夾所提供的抗滑力，僅永久索夾在螺栓復擰到位的情況下，其抗滑安全係數均大於3，詳見表12，滿足規範要求。
鋼箱梁耳板應力分析
鋼箱梁耳板預留孔的安全是吊索更換能否成功的關鍵，在「三吊點」和「五吊點」情況下，臨時吊索的最大索力分別為240t和205t。利用ANSYS建立耳板有限元模型，將臨時吊索力施加在耳板孔上半曲面（半徑55mm，厚80mm），得到耳板孔的應力雲圖如圖6和圖7所示。從圖中可知，儘管兩種工況下耳板最大應力均達到323MPa，但是在「五吊點」情況下，應力較大區域的面積明顯小於「三吊點」。
圖6 「三吊點」耳板應力雲圖（MPa）
圖7 「五吊點」耳板應力雲圖（MPa）
在不中斷交通情況下，採用「三吊點」時，臨時吊索索力最大為240t，索夾抗滑安全係數最小為4.6；採用「五吊點」時，臨時吊索索力最大為205t，索夾抗滑安全係數最小為4.7，並且鋼箱梁耳板應力較小，通過同步張拉5根臨時吊索釋放被更換吊索的索力，然後進行吊索更換，具有較大的安全儲備。
本文刊載 /《大橋養護與運營》雜誌 2019年 第2期 總第6期
作者 / 孫洪濱
作者單位 / 江蘇揚子大橋有限公司