1、收稿日期 : 2016-07-14; 修回日期: 2016-08-01作者简介: 张乃乐( 1979)，男，高级工程师， 2002 年毕业于石家庄铁道学院土木工程专业，工学学士， E-mail: 735897872 qqcom。第 61 卷 第 4 期2017 年 4 月铁 道 标 准 设 计RAILWAY STANDARD DESIGNVol61 No4Apr 2017文章编号: 1004-2954( 2017) 04-0079-04大跨度铁路斜拉桥换索方案设计与受力性能分析张乃乐(怀邵衡铁路有限责任公司，长沙 410008)摘 要: 由于斜拉索安全性病害和功能退化，斜拉桥在运营一定年限后需
2、进行拉索更换。以某大跨双线铁路斜拉桥为工程背景，提出一种适用于铁路斜拉桥的斜拉索更换方案，该方案仅对出现病害的单根拉索进行拆除更换，无需中断桥上铁路行车。基于空间非线性有限元手段，计算拉索更换所致结构效应。结果表明，拉索更换会引起轻微的主梁线形不平顺和结构竖向刚度降低，桥面列车需作限速通行要求，换索状态下，桥梁各构件受力均满足规范要求，本文提出的换索方案是安全可行的。结合计算结果，针对换索方案的拉索张拉工艺和施工条件提出建议，以保证换索施工全过程的桥梁受力合理性。关键词: 铁路桥; 斜拉桥; 大跨度; 斜拉索; 换索方案; 单根更换; 受力性能分析; 有限元计算中图分类号: U448. 27
3、文献标识码: A DOI: 1013238/jissn10042954201704018Design and Stress Analysis of Cable Replacement forLong Span Cable-stayed Railway BridgeZHANG Nai-le( Huai Shao Heng Railway Co， Ltd， Changsha 410008， China)Abstract: Because of the security insufficiency and functional degradation of stay cables， the cabl
4、es ofcable-stayed bridge should be replaced after a certain period of service Based on a large span doubletrack cable-stayed railway bridge， a cable replacement approach is proposed for a single defected cablereplaced without traffic interruption A three dimensional nonlinear finite element method i
5、s introduced tocalculate the structure effect caused by the replacement The result shows that every component of thebridge meets the requirement of the codes on cable replacement， and the proposed method is safe andfeasible Cable tensioning procedures and working conditions for cable replacement are
6、 put forward toensure structural rationality of the bridge during the entire process of cable replacementKey words: Railway bridge; Sable-stayed bridge; Long span; Stay cable; Cable replacement program;Single cable replacement; Stress analysis; Finite element calculation1 概述斜拉桥是一种由索塔 、主梁 、拉索共同承载的缆索支
7、承桥梁 1，拉索体系对主梁实施有效支承，将桥面恒载和主梁传递的交通荷载等外部荷载快速传递至索塔 2。拉索为斜拉桥最重要的易损构件，其安全使用性能直接决定了斜拉桥的使用寿命 3。由于钢丝腐蚀 、氢脆 、应力腐蚀 、锚具锈蚀 、护套老化或破损 、拉索疲劳 、锚具松脱以及施工损伤 、养护不到位等原因 3， 4，在桥梁运营若干年后，拉索往往会出现安全性病害和功能退化，此时需进行拉索更换，以保证桥梁结构和桥面行车的安全 。相比公路斜拉桥，大跨度铁路斜拉桥具有整体刚度大 、列车活载重 、恒载与活载之比小等特点，以主跨468 m 大跨度双线 、中 活载铁路混合梁斜拉桥为例，其活载集度约为同跨度六车道公路桥的
8、 28 倍，而恒载与活载之比小，仅为 1. 97。由于大跨度铁路斜拉桥的上述特点，其斜拉索的疲劳效应非常突出，单根拉索的索力较大，拉索更换的可行性和安全性是铁路斜拉桥的关键技术问题之一 。国内很多学者对公路斜拉桥换索问题进行了较为全面的研究 5-7，但关于铁路斜拉桥拉索更换的研究甚少 。以某铁路大桥为工程背景，提出了一种适用于大跨度铁路斜拉桥的换索方案，并建立非线性空间模型，计算分析了控制性拉索的更换所致结构效应，论证了换索方案的可行性和安全性，并给换索施工提出了几点建议 。2 工程概况 9某大桥为主跨 468 m 双塔双索面混合梁斜拉桥，孔跨布置为( 53+50+50+66+468+66+5
9、0+50+53) m，以流线形封闭箱形主梁承载双线铁路(中 活载)，桥梁总体布置见图 1。主梁全长 907. 8 m，边跨及部分中跨主梁为预应力混凝土箱梁，其余中跨主梁为钢箱梁，钢 -混凝土分界点位于主梁中跨侧距离桥塔 24. 5 m处 。钢箱梁标准横断面见图 2。斜拉索采用抗拉标准强度 1 670 MPa镀锌平行钢丝拉索，外挤 HDPE(高密度聚乙烯)护套，空间双索面体系，扇形布置，全桥共 100 对斜拉索 。斜拉索梁上间距 89 m，塔上索距(锚点竖向间距) 1. 8294. 703 m。斜拉索采用整根张拉方式，张拉端设置在塔内 。斜拉索最长(含锚具) 266. 8 m，最大规格为 PES
10、( C) 7223，单根最大质量约 18 t(不含锚具和护套) 。斜拉索编号见图 1。图 1 大桥总体布置及斜拉索编号示意( 单位: m)图 2 钢箱梁标准横断面( 单位: m)3 换索方案确定斜拉桥在运营一定年限后，受各种因素影响，拉索往往会出现安全性病害和功能退化，此时需进行病害拉索的拆除和更换，以保证桥梁结构和桥面行车的安全 。铁路的天窗时间一般在 6 h 以内 10，该时长不足以完成斜拉索更换，故拉索更换的部分工作需在铁路行车时段开展，因铁路一般不允许中断交通，故换索过程中，列车需保持通行 。铁路斜拉桥换索施工方案需考虑铁路运营的特点和要求 。3. 1 换索一般性流程铁路斜拉桥拉索更换
11、施工过程中，不中断铁路行车，必要时仅作限速通行要求，一般性流程为:施工准备索力及高程测量减振器装置拆除拆除病害斜拉索安装新斜拉索张拉拉索至目标索力索力及高程实测减振器装置恢复设备拆除及桥面清理 6-。3. 2 换索主要工艺的施工时段选择安装支架 、拆除拉索防护罩 、拆除减振器装置 、清理索孔管道 、桥面展索 、减振器装置恢复 、设备拆除及桥面清理等换索前准备工作或换索后收尾工作，可在任何时段进行，此时，列车正常运营，不作限速要求 。为避免拉索掉落危及铁路行车安全，斜拉索的拆除和挂设应安排在天窗时间完成 。换索前后的索力及高程测量 、斜拉索张拉应在天窗事件(该时段，气温比较稳定)开展，以规避桥面
12、行车 、温度变化的影响 7。旧索力释放至新索完成张拉期间，桥上列车通行应做限速要求，以保证桥梁和行车的安全 。4 换索施工的受力性能分析4. 1 计算模型以前文所述某大桥为工程背景，采用空间杆系非线性程序，建立空间有限元模型，进行换索施工的受力08 铁 道 标 准 设 计 第 61 卷性能分析 。建模分析过程中，以设计竖曲线为基准进行结构离散，对于主梁 、主塔采用三维梁单元模拟，其截面特性通过真实截面的输入来准确考虑 。混凝土主梁预应力采用杆单元建立空间预应力筋以真实模拟 。计算考虑斜拉索垂度效应 、主梁或索塔在显著轴压力作用下的 P 效应 、结构大变形效应等非线性影响，其中斜拉索采用只受拉多
13、段杆单元模拟，以完全考虑垂度效应和索端转角的影响 。空间有限元分析模型见图 3。图 3 空间有限元分析模型4. 2 计算工况实际工程中，一般仅对出现病害的斜拉索进行更换，故在结构受力容许的情况，计算按单根拉索拆除并解除索力进行换索施工的受力性能分析 。基于最不利原则，选取了以下具有代表性的斜拉索(拉索编号见图 1)进行换索计算 。( 1) M25 拉索:该索为全桥最长拉索 。( 2) M12 拉索:该索位于主跨 1/4 跨附近，且其疲劳应力幅最大 。( 3) M2 拉索:该索成桥索力较大，且位于钢混结合段区域 。( 4) M1 拉索:紧邻索塔拉索，索力较大且塔侧无索区长达 14 m。由于换索施
14、工全过程耗时在 1 d 以上，且桥上不中断交通，故偏保守地换索荷载除与恒载 、活载进行组合外，还考虑与温度 、风 、制动力等附加力组合，基于此，确定换索荷载组合如下:换索荷载组合 =恒载 +列车活载(中 活载，双线列车限速通行) +温度 +风荷载 +制动力 +换索荷载(索力解除 、拉索拆除) 。4. 3 计算结果4. 3. 1 索力变化控制性拉索拆除所致拉索塔端索力变化如图 4图 7 所示 。根据图 4图 7，关于双塔双索面密索体系铁路混合梁斜拉桥拉索更换所致索力变化，可得到以下结论 。( 1)单根拉索的拆除，会引起所有斜拉索出现不同程度的增减，索力未出现急剧变化，增减幅值不超过200 kN，
15、其原因在于，对于密索体系斜拉桥，单根拉索图 4 M25 拉索拆除所致拉索塔端索力变化图 5 M12 拉索拆除所致拉索塔端索力变化图 6 M2 拉索拆除所致拉索塔端索力变化图 7 M1 拉索拆除所致拉索塔端索力变化拆除释放的索力，将由邻近的 20 余根拉索分担，分配到每根拉索的索力有限 。( 2)拉索的拆除，引起的邻近拉索的索力增值，一般随着与拆除拉索的距离增大而逐渐减小，但主跨跨中拉索(如 M25)则不同，最大增值出现在间隔 5 倍索距的拉索 。( 3)拉索的拆除，对同侧拉索(如索塔中跨侧或边跨侧)的索力影响，同索面的拉索要大于非同索面的拉索 。( 4)中跨拉索的拆除，对边跨拉索索力的影响呈现
16、端锚索增加幅值最大 、塔区拉索减小幅值最大，梁端往塔区方向呈近线性变化，且两个索面的索力变化差别甚小，其原因在于本文依托的工程项目为密索体系的铁路混合梁斜拉桥，其两个索面的梁端横向间距仅为 19 m，主梁截面刚度较大，边跨混凝土主梁刚度远18第 4 期 张乃乐 大跨度铁路斜拉桥换索方案设计与受力性能分析大于中跨钢箱梁 ，且边跨设置了 3 个辅助墩，边跨对中跨可实现强劲的锚固作用 。4. 3. 2 应力及变形结果表 1 为恒载及列车活载下的主梁变形和各种换索荷载组合下的构件主要检算结果 。表 1 结构变形和构件主要检算结果项目换索荷载组合M25 M12 M2 M1拉索最小强度安全系数 2. 72
17、 2. 73 2. 68 2. 71混凝土主梁正应力 /MPa钢箱主梁正应力 /MPa索塔正应力 /MPa主梁中跨下挠 /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. 4 79. 4 81. 2 80. 4最小值 110. 2 111 118. 1 113. 7最大值 2. 59 2. 57 2. 46 2. 47最小值 15. 48 14. 95 13. 64 13. 65恒载 49. 3 29. 9 24. 5 25. 0列车活载 687 674 669 666注: 1. 负值为压应力; 2. 变形数
18、值为恒载或列车活载的结果，余为换索荷载组合值 。计算结果表明 。( 1)换索施工最不利状态下，斜拉索最小强度安全系数为 2. 68，大于 2. 0，满足规范的关于施工状态斜拉索强度安全系数的要求 11。( 2)混凝土最大压应力为 21. 15 MPa，最小压应力为 0. 26 MPa，满足规范要求 。( 3)钢箱主梁第一体系最大压应力为 118. 1 MPa，最大拉应力为 97. 4 MPa，考虑与第二体系 、第三体系应力叠加，满足规范要求 。( 4)索塔总体表现为受压，最大压应力为15. 48 MPa，下塔柱和中塔柱靠下横梁区段出现拉应力，最大值为 2. 59 MPa，出现在下塔柱靠下横梁底
19、缘的截面，经检算，受拉区域的钢筋应力及裂缝宽度均小于规范限值，索塔受力满足规范要求 。( 5)斜拉索的更换会引起成桥线形和列车活载下主梁挠度的变化，最突出的是中跨长索 M25 拉索，该索的拆除，会引起主梁 49. 3 mm 的主梁下挠，并带来主梁线形的轻微不平顺，此外， M25 拉索的拆除带来列车活载所致中跨中挠度由 664 mm 增加 23 mm 至687 mm，对应的挠跨比由 1/705 变为 1/681。综上可知，索塔 、混凝土主梁 、钢箱梁 、斜拉索等各构件的受力均满足规范要求 。拉索的拆除会引起主梁轻微的下挠和线形不平顺性，结构整体竖向刚度也略有减小，建议换索过程中，对桥面列车作限速
20、通行要求 。同时，计算结果也表明，混凝土主梁的最大压应力和最小压应力均接近规范限值，索塔部分区段出现了拉应力，为避免混凝土主梁 、索塔塔柱 、索塔拉索锚固区的不利受力，使桥梁结构受力处于合理状态，提出以下 2 项建议 。( 1)换索施工宜选择在气温适宜 、风力较小的时期和月份进行，以减小温度 、风等外界条件的不利影响 。( 2)更换的病害拉索宜和其对应的拉索(同索面 、同索塔)同步解除索力 、同步张拉，且不平衡力最大不宜超过目标索力的 10% 12。5 结语以某双塔双索面密索体系铁路混合梁斜拉桥为工程背景，提出了一种无需中断铁路行车且仅拆除更换单根病害拉索的斜拉索更换方案，并基于空间非线性有限
21、元手段，计算了拉索更换所致结构效应，论证了换索方案的可行性和安全性 。( 1)对于密索体系斜拉桥，单根斜拉索的拆除引起的索力变化有限 。( 2)经计算论证，本文提出的换索方案是安全可行的 。( 3)铁路斜拉桥的拉索更换施工，需合理安排各工艺的施工时段 。拉索的拆除和挂设应在天窗时间内完成，以避免拉索掉落危及铁路行车安全;换索前后的索力及高程测量 、斜拉索张拉应在天窗事件开展，以规避桥面行车 、温度变化的影响 。( 4)建议换索施工选择在气温适宜 、风力较小的时期和月份进行，更换的病害拉索应和其对应的索(同索面 、同索塔)同步解除索力 、同步张拉 。参考文献: 1 严国敏 现代斜拉桥 M 成都:
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