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。

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