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桥梁拉索的破损安全改造

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【摘要】:
桥梁拉索破断统计表明,目前还不可能指望其与桥梁设计时限相同;亦即在桥梁的全寿命周期内,拉索将多次拆换或破断。以致‘两年一检测,十年一拆换’几为成例。然而,这样是否就能排除拉索的骤断的可能?理论上和实践上均未见有依据的、经过证明、获得实践支持的肯定回答[1-9]。 1.1桥梁拉索的拆换及问题考查桥梁拉索的拆换,其基本情况如下。  (1)换索总费用高达740万元,为全桥当年总造价(600万元)的一倍以
    桥梁拉索破断统计表明,目前还不可能指望其与桥梁设计时限相同;亦即在桥梁的全寿命周期内,拉索将多次拆换或破断。以致‘两年一检测,十年一拆换’几为成例。然而,这样是否就能排除拉索的骤断的可能?理论上和实践上均未见有依据的、经过证明、获得实践支持的肯定回答[1-9]。
 1.1桥梁拉索的拆换及问题
考查桥梁拉索的拆换,其基本情况如下。
   (1)换索总费用高达740万元,为全桥当年总造价 (600万元)的一倍以上。
其中索具费用仅占14%;施工临时设施费用达30%,铁路安全费用54%,此二项之和高达80%以上。
   (2)当不计(或不存在)铁路安全费用时,如表1中括号内的数据,则施工临时设施费用为70%,索具费用为30%。
近期在成都市区内,一座钢管凝土桁架平行肋拱桥,正在拆换吊杆和系杆,耗时一年多,其施工费用,不致比表1的实例少。
简言之,在桥梁拉索拆换中,施工费用是主要的,
 1.1.2拉索骤断毁桥的修复费用更高
拉索骤然破断、桥梁受损后的修复费用,可为当年拉索造价的几十倍,为全桥当年造价的1倍以上。此类情况,见诸于国内外文献者,不乏实例,亦即拉索骤断毁桥的修复的费用更高。
表1   L=120 m拱桥吊杆拆换费用分析      一览表
序号 项  目 金 额/万元 单  价/万元/根 比   例
 /% 备   注
1 索  具 106.62 2.42 14.0(30.0) 索、锚、PE
2 安  装 25.00 0.57 3.4 (7.2) 安装调索
3 临  设 218.70 4.97 30.0 (62.4) 施工支架
4 小  计 350.32 7.96 47.0(100.0) ∑[1+2+3]
5 铁路安全 390.00 8.86 53.0 新建拆换均有
6 总  计 740.32 16.86 100.0 ∑[4+5]
注:[1]表中()内的为未计铁路安全的百分比。
1.2  存在的问题
   (1) 拆换后的拉索没有杜绝骤然破断,拆换以后的拉索何时可能破断或者何时再换,下次如何拆换,耗费将是多少,不得而知。
   (2)管理的无奈,桥梁管理者出于职责,采改“两年一检测,十年一拆换”, 在目前的情况下,固然不失为一种措施。
但是,这样就安全了吗?现有的检测诊断技术[9],能保证在此十年的拆换周期内,拉索不致骤然破断?显然,目前尚未从根本上解决桥梁拉索的安全问题。
1.3  桥梁拉索的安全性研究  
1.3.1  拉索健康检测与诊断
    美国明尼阿波利斯市密西西比河大桥,经明尼苏达大学土木工程系基于健康监测,得出‘近期不必因疲劳问题而提前进行大桥的更换’;一家独立咨询公司在研究后也认为,大桥‘遭受关键性疲劳损伤的可能性很小’。于是,公路管理部门将大桥的更换工作安排到了2020年,并将两年一次的检测周期缩短为一年一次。
    大桥却于2007年8月,在只有半幅通车的情况下垮塌了。事实否定了健康监测、评估的结论。因此文献[9]提出了‘不要过高预期桥梁健康监测系统’的忠告。
    (1)拉索的寿命不能确定, 文献[3]指出,“寿命预测为非确定性的统计量”,“很难或者根本不可能把它归结为单一的数值。”,亦即桥梁拉索的破断寿命,并不唯一确定。这是问题的性质所决定的。
因此,迄今桥梁拉索的骤然破断未能杜绝。 
    (2)桥梁拉索破断机理的研究,目前关于桥梁拉索的骤断,提出了诸多论断,并据以采取结构措施。诸如‘短吊杆破断’、基于‘静力强度的破断’解释、‘温差循环破断’、‘双吊杆的安全性和利于拆换’…等等,事实果真如此吗,断索实例对此提出了尖锐的质疑[8]。
1.3.2 桥梁拉索破断的本质
桥梁拉索失效的本质,为随机作用下的腐蚀疲劳及多种因素的耦合。因此:
‘腐蚀疲劳’>[腐蚀+疲劳]的作用结果。
     腐蚀疲劳,与载荷环境(大小、方式、时间等)相关,也与介质环境(如大气、应力、污染)相关;既包括通常理解的化学作用,也包含机械作用及其耦合。
结构耐久性,结构服役,是其剩余强度(寿命)的消耗过程,拉索的剩余寿命是衡量耐久性的指标。
剩余强度,为计及损伤折减后的即时结构强度,因此:
设计强度≠剩余强度
1.4 破拉安全拉索系统
    破损安全拉索(Failuer Safety Cable = FSC)系统研究,历时五年多,冀在实现[6、7、8]:
断索不毁桥,允许桥梁拉索随时破断;拉索破断桥梁不致受损或垮塌,通过设计保证,获得了实验证明。
    实时在线拆换,在不中断交通的情况下拆换拉索;拆换勿须通常换索的临时支撑,较现有的拆换节省 (70~80)% 的费用。 
    不依赖于寿命预测,桥梁拉索随断随换,不依赖于健康检测与诊断,只需一般性的检查、维护。
2 拱桥吊杆的破损安全改造
    作为FSC研究的应用,本文将讨论在桥梁拉索拆换时的破损安全改造。即探讨既有拉索拆除后,换用FSC系统,而非恢复原状。目的在于拆换后的拉索实现断索不毁桥。
2.1 改造示例1:交叉双吊杆的FSC改造
这里将讨论图1所示拱桥吊杆系统的破损安全改造,以便与传统吊杆拆换(图1和表1)相比较。
     改造原则,对既有桥梁的结构、构造、受力不作大的改变,实现拉索系统的破损安全。
     改造方案,基于文献[6、7]‘以应力差实现寿命差’的原则,构建FSC系统。对于图1所示双吊杆拱桥,拟采用图2的FSC改造系统。
     为使系统成为破损安全的,这里取二吊杆(S1 和S2)的应力σ1和σ2的比值 σ1/σ2 〉1。当吊杆对称于竖向布置的倾角为θ、吊杆材料相同时,需取二杆的截面A2〉A1。
为了实现S1破断时,S2不致破断,桥梁不受损毁,经破损安全分析(过程从略),宜取A2 = 2A1。
破损安全改造后的FSC系统,
改造讨论, 分析和比较通常的吊杆拆换(图1、表1)与改造后的FSC 吊杆系统(图2、表2),可以得出以认识:
(1)FSC吊杆系统,具有断索不毁桥、吊杆(S1)破损预警、实时在线拆换的功能。
(2)FSC吊杆系统,勿需忧虑吊杆骤断,具有安全感,不需要‘两年一检测,十年一拆换’。
(3)吊杆随断随换,断一根换一根,不必一次全换,拆换的数量和费用大大小于现行吊杆系统。
(4)采用FSC系统对现行吊杆进行拆换改造,与通常的恢复原状的拆换,其平均单价分别为9.40和7.96(万元/根),前者的费用仅高18%。
(5) 以现行桥梁设计规范评估,FSC吊杆系统的安全系数均不小于规范的要求。
表2  L=120 m拱桥吊杆FSC改造费用分析 一览表
序号 项目 金    额/万元 单价/ (万元/根) 比   例[1]  /(%) 备     注
1 索 具 160.00/106.62 3.60/2.42 38.0/30.0 索、锚、PE
2 安 装 37.50 /25.00 0.80/0.57 8.5/7.2 安装、调索
3 临 设 218.70 4.97 53.0/62.4 施工支架
4 合 计 416.2/350.32 9.40/7.96 100.0 ∑[1+2+3]
注:[1]表中 /右侧为通常拆换吊杆的数据,取自表1。
2.2 改造示例2:平行双吊杆的FSC改造
跨径 L=148 m的钢管混凝土桁架肋拱桥,原设计为平行的、二杆截面相同的双吊杆系统。
现讨论吊杆系统的破损安全改造。其主要成果及分析如表3所列。方案要点如下:
(1)F及S索,FSC系统布置如图6的右图,索端锚固取用图7的B型构造。  
(2)承载索F,吊杆截面与原设计相同为 61φ7, 索粗φ77;安全索S,截面取为121φ7,索粗φ103,以K件实现S与F索运营承载内力相等。
(3)设计内力,原设计单索内力为879 kN,即组合Ⅱ(恒载+挂车的内力,安全系数为4.46。
(4)断索工况,在FSC系统中,当F索破断瞬时,冲击系数为1.63;计及断索冲击对S索的作用,加上S索原有受力后的等效内力为2.63×879,则断索瞬时的安全系数为3.36;F索退出工作后,S索承受节点的全部设计载荷,其安全系数为4.42。
表3  FSC吊杆改造方案及分析一览表
 内        容 FSC  改  造  方  案 原设计吊杆
1 截    面 F索:61¢7 S索:121¢7 2根61¢7
2 索    粗 φ77 mm φ103 mm φ77 mm
3 孔    径 φ120 mm
4 设计内力SⅡ 879 kN 2×879/2.63×879[1] 2×879 kN
5 破断拉力Sb 3920 kN 7777 kN 2×3920 kN
6 设计安全系数 4.46 4.42/3.36[1] 4.46
7 规范安全系数 2.50 2.50/1.75 2.50
注:[1]其解释详见本文2.2节之(4)断索工况。
2.3 改造示例 3竖直单吊杆的FSC拆换改造
    国内拱桥的吊杆和斜缆多为单索,其FSC改造也是可能的。且为项目研究的主攻点之一,在可以预期的将来,有望取得研究和实验成果。
     目前若沿用示例1和示例2的思路方法,亦可实现其FSC改造:即在桥道和拱肋上均用图7之B型节点,布置倾斜的FSC吊杆系统,实现改造。