1. 引言
现代斜拉桥起源于20世纪40年代，德国桥梁工程师迪辛格尔奠定了现代斜拉桥诞生与发展的理论基础。1955年瑞典建造了世界上第一座现代化斜拉桥——斯特罗姆松德桥。1962年世界第一座混凝土预应力斜拉桥——委内瑞拉马拉开波湖桥(Maracaibo)建成[1]。现代斜拉桥具有跨越能力大，能充分利用材料力学性能，施工操作较为简便，结构新颖，造型美观等优点，适用于不易修筑桥墩和不利于修建地锚的峡谷、大江、大河处。因此斜拉桥在国内外得到了广泛的应用[2] [3]。
斜拉桥的推广应用也引入了与梁桥不同的使用阶段病害，而斜拉索病害是斜拉桥使用过程中最常见的病害之一。由于初期应用的斜拉索材料性能偏低，拉索体系防护不到位等不利因素诱发了拉索使用过程中严重病害，如PE套管损坏，拉索钢丝锈蚀，拉索钢丝断裂，锚头锈蚀等[4]-[6]。这些病害的存在使得拉索的实际使用年限大大降低。据朱劲松等统计，我国已实施换索的斜拉索平均使用寿命仅为15年[7]。而现行《公路工程技术标准》6.0.11条关于斜拉索设计使用年限规定为20年[8]。因此，国内大多数斜拉桥的拉索并未达到设计使用年限。
Figure 1. Exposed anchor head
图1. 下锚头外露
斜拉索作为斜拉桥的主要受力和传力构件之一，又被称为斜拉桥的生命索。斜拉索病害成为斜拉桥正常使用过程的重要安全隐患。为保障斜拉桥的安全运营，避免发生较大的安全事故，需及时对斜拉索进行检测，并对评级较低的斜拉索实施换索[9] [10]。斜拉索换索已成为斜拉桥正常使用的重要保证措施[11] [12]。
常用换索工艺总体可分为两种：1) 不需要临时结构；2) 设置临时结构。在此需要指出的是第一种换索方式(不设置临时结构在桥面上直接拆除旧索)只适用于可以在桥面上对下锚端直接进行施工(如图1所示)且换索时引起的总体内力变化及线形变化不大的斜拉桥，导致第一种换索方式局限性较大[13]-[17]。所以当主梁内力变化、线型变化及主梁对换索的敏感性较大时，一般采用设置临时结构的换索方案。设置临时结构进行换索不仅避免了拆除原索过程中桥梁结构本身受力、变形的显著变化，同时可以消除临近拉索发生破坏隐患，降低换索过程对交通流和通航的影响[18]-[20]。
2. 新型临时索结构换索工艺
以某长江公路大桥(斜拉桥)作为可行性研究的工程对象，其主梁截面为轻型且对称的π型截面(主梁截面图如图2所示)。该桥若进行换索存在以下几个难点：1) 跨度大，桥梁的刚度较小，换索引起的总体内力变化及线形变化大；2) 主梁的梁高索距比小，导致主梁受力和变形对换索敏感；3) 下锚头浇筑于主梁边肋内部[21] [22]。
为妥善解决以上难点，结合该桥主梁本身不存在适用于锚固临时索的锚固区，本文提出一种新型临时索结构，利用外置钢锚箱进行临时索锚固的换索工艺。
外置钢锚箱设置临时索工艺为：1) 在主梁上通过钻孔的方式开凿锚拉板锚固孔；2) 通过四根对拉超高强螺栓提供的预紧力将锚拉板与主梁锚固在一起；3) 通过锚拉板与主梁的摩擦力以及超高强螺栓的抗剪和抗拉力提供临时索与主梁之间的反力装置；4) 利用外置锚拉板挂设临时索；5) 并通过同步张放临时索和既有索的工艺完成退索换索施工。
Figure 2. Sectional view of the cable zone of the main girder
图2. 主梁有索区截面图
为了验证上述新型临时索结构锚固临时索的方式的可行性，找出临时索结构在实际实施过程中的可能存在的难点，并给出合理化建议，应结合研究的实际工程对象进行具体的工况试验。
3. 可行性试验设计
针对基于外置钢锚箱的斜拉索换索工艺，其工作原理为利用锚拉板与主梁的摩擦力以及超高强螺栓的抗剪和抗拉力来提供临时索与主梁之间的反力，其中最主要的是锚拉板(钢制)与主梁间的摩擦力，根据公式F = uFn (最大静摩擦可以近似的认为等于动摩擦)，需要获得钢与混凝土之间的静摩擦系数[23] [24]，考虑到主梁梁体可能为非竖直面，需要通过素混凝土垫块进行找平，制作获得的主梁模型如图3所示，其中Fn由4根对拉螺杆施加预紧力得方式进行施加，F根据实际工程需要为3500 kN。
Figure 3. Loading system diagram of the test beam
图3. 试验梁体加载系统图
试验前将锚拉板与试验梁体用对拉螺杆进行锚固，锚拉板与试验加载系统通过焊接的形式进行锚固，通过加载系统将拉力传递到钢锚板以模拟实际拉索索力。
对拉螺杆预紧力采用扭矩控制下的线性加载方案，以对拉螺杆应变平均值(采用贴应变片的方法获得对拉螺杆施加扭矩后的应变平均值)作为每级扭矩增量的参考量。当达到每级扭矩时持荷五分钟并观察垫板周围混凝土是否压溃，当达到最大扭矩时停止加载，每根对拉螺杆施加的扭矩值如表1所示。若在加载过程中出现螺帽与螺杆滑丝、垫板持续性跟转现象则终止加载。
Table 1. Screw torque values (unit: N·m)
表1. 螺杆扭矩值(单位: N·m)
螺杆编号 |
第一阶段 |
第二阶段 |
第三阶段 |
第四阶段 |
L1 |
5000 |
9000 |
12,000 |
15,000 |
L2 |
5000 |
9000 |
12,000 |
15,000 |
L3 |
5000 |
9000 |
12,000 |
15,000 |
L4 |
5000 |
9000 |
12,000 |
15,000 |
单向拉伸试验采用力控制下的线性加载试验方案，采用，按照0~800 kN、800~2000 kN、2000~4000 kN分三个阶段依次增加试验拉力对锚拉板进行力的施加，当拉力达到4000 kN或极限状态时停止加载，锚拉板所受具体拉力值采用贴应变片的方法获得实际拉力。
通过开展静力试验，即采用对连接临时索的钢构件进行拉伸试验，研究实际索力范围内外置钢锚箱的受力安全性，测得外置钢锚箱与混凝土之间的静摩擦系数，并根据实际静力试验结果对本临时索结构是否可以应用于实际工程及后续改进试验方法提供可行性建议。
4. 试验现象
在单向拉伸试验中产生的具体试验现象如表2所示。
Table 2. Uniaxial tensile static test
表2. 单向拉伸静力试验
工况 |
0~800 kN |
800~2000 kN |
2000~4000 kN |
钢–混凝土 |
锚拉板与素混凝土垫块无相对位移。 |
800~1000 kN，经观测发现锚拉板与素混凝土垫块
出现相对位移(5 mm)，停止试验。 |
/ |
钢–混凝土干接触条件下，拉力为830 kN (对应预紧力为2475 kN)时接触面之间发生滑移。由此可得锚拉板与素混凝土垫块之间的等效摩擦系数(滑移拉力/总预紧力)为0.34。需要指出的是由于在试验过程中外置锚拉板与素混凝土垫块之间的滑移过程是某个或部分对拉螺杆先发生局部滑移，然后慢慢扩大形成整体滑移(“各个击破”)。外置锚拉板与素混凝土垫块之间的等效摩擦系数并非钢与混凝土之间的静摩擦系数(下同)，其等效摩擦系数远远小于二者剪切破坏面间的静摩擦系数[23] [24]，锚拉板与混凝土直接接触时，两者产生滑移产生得最大拉力仅为830 kN，远达不到实际工程的换索需求。
5. 结论及建议
本文结合某长江公路大桥的拉索换索工程提出了一种利用对拉螺杆作为外置钢锚箱锚固系统的换索系统，研究利用此临时索系统是否可以解决实际工程的换索问题，获得钢与混凝土之间的摩擦系数及，并为后续改进试验方式提供可行性建议，通过模型试验得到以下研究结论及建议：
1) 钢板与混凝土之间的等效摩擦系数为0.34；
2) 采用钢板与混凝土直接接触达不到实际工程换索需求；
3) 后续试验应在钢板与混凝土之间增加铅板、橡胶、高摩擦橡胶垫层等界面材料，以达到相应拉力要求；
4) 设置界面材料可能会增加界面局部滑移风险。对拉螺杆在实际试验过程中需考虑每根对拉螺杆的失效条件。