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金婺大桥换索方案研究周立（中铁上海设计院集团有限公司，上海200070）摘要本文主要以金婺大桥边跨4#索换索方案为工程背景，把理论计算与实测相结合，来研究单侧卸索（加支撑）、单侧卸索（不加支撑）、双侧卸索（加支撑）和双侧卸索（不加支撑）等卸索方案对斜拉索索力以及主梁和桥塔的弯矩、位移和应力的影响。分析表明单侧卸索大大增加了桥塔的弯矩，不加支撑大大增大了主梁的弯矩。建议采用在边跨主梁和中跨主梁与4#索对应的横隔梁下加竖向支撑的双侧全松+全紧的换索方案。关键词金婺大桥换索方案索力有限元中图号：U443文献标志码：A1引言在过去的40多年内，全世界修建了300余座大跨径斜拉桥。但由于种种原因，一些斜拉桥的拉索钢丝发生了锈蚀断裂。势必引起拉索索力的重新调整及斜拉桥主梁的线形变化，使斜拉桥结构破坏非常严重，以至于不得不更换拉索。拉索换索后又必须对全桥进行调索，使得桥梁结构重新恢复到最有利的受力状态[1]。金婺大桥（图1）于1997年12月建成通车，为塔、梁、墩固结的独塔单索面预应力混凝土斜拉桥，跨径布置为100m+125m+35m=260m；主梁采用单箱三室箱型截面形式，全宽为24.7m，梁高2.2m；塔高64.0m；拉索为9对平行索，每束索由109根钢绞线组成。桥梁设计荷载：汽—20级，挂—100，人群荷载为3.5KN/m2。但由于在整修过程中电焊工人不慎将4#索引着失火，用水灭火后索脆性增加，存在安全隐患，因此决定进行换索。图1金婺大桥节段划分图96~97年施工施工时1#～9#索张拉力控制如表1所示。表196~97年施工1#～9#索张拉力控制索号起始张拉力设计控制张拉力（kN）超张拉力实测总伸长值(mm)油压（MPa）张拉力（kN）设计张拉力（kN）油压(MPa）实际张拉力（kN）E949.557550.437600783351.47834.37315.8W948.507387.687600783351.47831.00323.3E845.56929.037900814553.48141.15286.0W845.56929.087900814553.58152.01293.7E742.006392.017900815153.58156.49251.8W742.256432.267900815153.58152.01260.6E637.255663.217800805652.98064.43228.4W637.505706.147800805652.98060.29233.0E537.45686.227600786251.67864.97194.5W537.55706.147600786251.67861.57191.9E441.05603.847600787656.27871.74165.4W443.35980.287600787656.17875.29164.6E340.55529.247400769355.07692.7127.4W337.75151.217400769354.97697.64121.6E236.04857.827800813858.08140.31101.1W237.85166.017800813857.98141.78103.8E140.95588.928600903064.09035.6375.3W141.75743.408600903063.99030.0777.32有限元计算模型采用midas软件对金婺大桥进行再现，主梁、桥塔、桥墩离散为空间梁单元，斜拉索采用空间索单元模拟。有限元计算模型的总体坐标系以顺桥向为X轴，以横桥向为Y轴，以竖向为Z轴。两端桥台仅施加竖向和扭转约束，两个桥墩下部施加固端约束，辅助墩墩顶和主梁耦合竖向荷扭转位移[2-3]，金婺大桥有限元计算模型如图2所示。图2空间有限元计算模型建造过程经历多次体系转换，施工过程直接影响桥梁内里，由于施工顺序对斜拉桥的内力影响很大，此桥系为旧桥，针对换索工况的设计，必须再现此桥建设时的施工顺序及两次换索过程。分析表明，整个计算过程中索力的对称性比较好，5#索的索力最大达到10076KN，为计算中所有拉索中最大索力；9#索的索力最小达到7644KN，为计算中所有拉索中最小索力。分析表明，主梁上缘拉应力在满布人群下达到最大，在64号单元左侧（即3#墩台墩顶），达到2.28MPa，但由于此处主梁为实心，应力幅值将削弱，其余各单元上缘拉应力均不超过0.6MPa；主梁上缘压应力在第8施工阶段达到最大，在29号单元左侧（即3#墩台墩顶）为最大，达到10.4MPa，但在允许值之内。分析表明，主梁下缘拉应力在第3施工阶段达到最大，在28号单元左侧为最大，达到2.43MPa，且28~32单元上施工阶段中下缘拉应力都较大，但由于此处主梁为实心，应力幅值将削弱，其余拉应力较大处更多是在不加支撑卸索工况发生的；主梁下缘压应力在满布人群下达到最大，在29号单元左侧（即3#墩台墩顶）为最大，达到21.3MPa，且28~32单元和63~65单元下缘都出现较大压应力都较大，但由于此处主梁为实心，应力幅值将削弱。3换索方案研究该桥自1997年12月建成运营至今，分别在2000年、2005年进行过两次换、调索，通过对金婺大桥结构体系再现，计算得到的金婺大桥1997年成桥状态索力，2000年换索后索力、2006年换索后索力，以及2008年成桥状态索力如表2所示。表2各次调索后索力对比（KN）索编号1997200020062008索编号1997200020062008边1#8952.18859.58880.78875.3中1#8986.08875.88949.28944.5边2#8584.08586.08362.38368.4中2#8710.38728.38492.28500.7边3#8327.78358.68069.88079.1中3#8545.18629.28270.58283.4边4#8485.88488.18210.08216.7中4#8741.28826.08428.68439.1边5#8474.28691.28787.08788.2中5#8616.08692.48846.38850.7边6#8705.48656.78692.18686.7中6#8736.48710.48792.28789.3边7#8642.58487.98466.78454.5中7#8672.48586.48595.88584.9边8#8481.08283.58210.38191.4中8#8464.18291.58230.38211.0边9#7787.07555.77436.67411.3中9#7643.57380.17251.17222.9这里我们对单侧卸索（加支撑）、单侧卸索（不加支撑）、双侧卸索（加支撑）和双侧卸索（不加支撑）等卸索方案进行了比较[4-8]。3.1不同卸索方案索力的对比a)单侧卸索，不加支撑由表3可见，采用单侧换索不加支撑的索力情况如下表所示。可见单侧卸索后其对应索索力仍很大，造成很大的不平衡力。这对塔是很不安全的，所以此方案不能采用。表3单侧卸索索力比较（KN）编号123456789边索9819.5469690.8439640.10710056.159594.3959036.5088500.7867497.803中索8922.4648442.1778188.1628323.5748772.2658742.9238559.0748195.9617213.121差897.08171248.6661451.945-8323.571283.882851.4722477.4334304.8241284.6817b)单侧卸索，加支撑由表4可见，采用单侧卸索加支撑的索力情况如下表所示。可见单侧卸索后其对应索索力仍很大，造成很大的不平衡力。这对塔是很不安全的，所以此方案不能采用。表4单侧卸索索力比较（KN）编号123456789边索9186.9128814.7638623.4299268.3059069.4278764.2458454.487646.638中索8670.2398094.6147786.8567920.2478428.3138467.9748342.1988020.0597061.607差516.6736720.1486836.5724-7920.25839.9919601.4529422.0477434.4211585.031c)双侧卸索，不加支撑采用双侧卸索不加支撑的索力情况如下表5和图3所示。可见双侧卸索其不平衡力较小，但由于未加支撑既有索索力明显增加。表5双侧无支撑卸索索力比较（KN）索编号123456789边索9779.4349608.3379518.4649962.6389543.6979017.2198502.6137514.054中索9857.1249752.9099736.8510031.319651.6199161.4818556.0177391.725差-77.69-144.572-218.387-68.6734-107.921-144.262-53.404122.3295图3双侧无支撑卸索索力比较d)双侧卸索，加支撑。采用双侧卸索不加支撑的索力情况如下表6和图4所示。可见双侧卸索其不平衡力较小，且由于支撑的作用索索力增幅较小。表6双侧有支撑卸索索力比较（KN）索编号123456789边索8913.1028405.278117.0248818.3368710.7538475.0358210.2747429.604中索9000.6828564.3398353.8638907.7988833.4158620.3658241.6157251.565差-87.5794-159.069-236.8390-89.4626-122.662-145.33-31.3409178.0387图4双侧加支撑卸索索力比较3.2不同卸索方案弯矩的比较为了对比不同卸索方案对主梁和桥塔响应影响，我们将2008年未卸索前的状态、双侧卸索（不加支撑）、双侧卸索（加支撑）、单侧卸索（加支撑）、单侧卸索（不加支撑）五种状态弯矩进行了对比分析。从桥塔的弯矩对比如图5可以看出单侧卸索大大增加了桥塔的弯矩，其余三种工况的弯矩还是比较接近的。从主梁弯矩对比如图6，可以看出不加支撑大大增大了主梁的弯矩。7075808590-40000-200000200004000060000弯矩(KN.M)单元号未卸索双侧卸索,不加支撑双侧卸索,加支撑单侧卸索,加支撑单侧卸索,不加支撑图5桥塔弯矩对比01020304050607080-80000-60000-40000-200000200004000060000单元号弯矩(KN.M)未卸索双侧卸索,不加支撑双侧卸索,加支撑单侧卸索,加支撑单侧卸索,不加支撑图6主梁弯矩对比3.3不同卸索方案位移的比较为了对比不同卸索方案对主梁和桥塔响应影响，我们将2008年未卸索前的状态、双侧卸索（不加支撑）、双侧卸索（加支撑）、单侧卸索（加支撑）、单侧卸索（不加支撑）五种状态位移进行了对比分析。从桥塔的弯矩对比如图7可以看出单侧卸索大大增加了桥塔的位移，其余三种工况的弯矩还是比较接近的。从主梁弯矩对比如图8，可以看出不加支撑大大增大了主梁的位移。707580859095-0.0050.0000.0050.0100.0150.0200.0250.0300.035节点号侧向位移(m)未卸索双侧卸索,不加支撑双侧卸索,加支撑单侧卸索,加支撑单侧卸索,不加支撑图7桥塔位移对比01020304050607080-0.20-0.18-0.16-0.14-0.12-0.10-0.08-0.06-0.04-0.020.000.02竖向位移(M)节点号未卸索双侧卸索,不加支撑双侧卸索,加支撑单侧卸索,加支撑单侧卸索,不加支撑图8主梁位移对比3.4不同卸索方案应力的比较为了对比不同卸索方案对主梁和桥塔响应影响，我们将2008年未卸索前的状态、双侧卸索（不加支撑）、双侧卸索（加支撑）、单侧卸索（加