斜拉桥自1784年首次建造以来, 由于其梁体尺寸较小、桥梁的跨越能力较大、便于施工等优点得到飞速发展^[1]。斜拉桥主要由梁、塔、斜拉索组成, 斜拉索是斜拉桥的主要承重传力结构件, 它主要由高强度钢丝 (钢绞线) 束和锚具组成^[2]。

截至2009年, 我国已建成的斜拉桥250余座, 跨径>200m的各类斜拉桥已近70座。其中, 建于20世纪50余座跨径<400m的斜拉桥已有52%全部或部分更换了拉索, 预计近5年内还将有数十座斜拉桥须换索。斜拉索造价占旧索更换施工造价的60%～70%, 斜拉索钢丝造价占斜拉索造价的60%～80%。斜拉索旧索在我国通常作为废旧物资进行处理, 旧索利用率低。因此, 研究旧索钢丝再利用技术可有效降低斜拉索换索施工成本且符合“四节一环保”的理念。通过检索文献发现, 国内外未见对旧索钢丝再利用关键技术的报道。

郧县汉江大桥为大跨度地锚式斜拉桥, 该桥于1989年11月开工建设, 1994年2月通车。大桥全长601m, 跨度布置为 (86+414+86) m (见图1) , 桥面行车道宽9m, 桥梁全宽15.6m, 系同期修建的亚洲最大、世界第二跨度的地锚式预应力混凝土斜拉桥。2016年对该桥全桥200根斜拉索进行了更换, 换索总质量>1 000t, 旧索钢丝制新索技术的研究有充足样本。通过对旧索病害分析、旧索钢丝力学性能检测、实桥索力分析, 给出旧索钢丝制新索关键技术, 降低工程造价, 符合绿色环保的理念。

对全桥200根斜拉索都进行了PE开窗检查、斜拉索PE和锚头外观检查统计^[3]。对病害情况进行了统计, 统计数据如表1所示。

大部分索体钢丝未见明显锈蚀, 少部分索体钢丝见明显锈蚀, 大部分索体梁面以上钢丝未锈蚀, 而下索道管内的钢丝可见明显锈蚀。

旧索钢丝各项力学性能指标检测^[4]合格方可作为制新索的重要依据。选取原索长度较长、钢丝束较多的长大索, 制成长度较短、钢丝束较小的短小索。抽取该长大索的旧钢丝做力学性能试验, 基本可整体代表该索其余旧钢丝的性能指标。

由于旧索钢丝制新斜拉索, 并用至原桥上, 属于国内首次, 为了安全起见, 结合郧县汉江大桥的地锚式^[5]特点, 经专家评审会得出意见, 最终选取地锚式桥台上索号为SS5b (十堰边跨上游侧) 和YS5b (郧县边跨上游侧) 作为本次科研试验旧索钢丝制成的新索, 选取外观质量较好的YM20a, YM20b (郧县中跨上下游20号索) 作为旧索钢丝试验检测索。

对应原设计图纸索号SS5b和YS5b, 规格为LRPC5-151, 长77.368m。YM20a和YM20b规格为LRPC5-241, 长179.851m。钢丝均为1 570MPa级5光面钢丝。

选取YM20a, YM20b索未见明显锈蚀的钢丝进行送检, 共计15项指标 (公称直径、不圆度、横截面积、理论质量、抗拉强度、屈服强度、延伸率、自由圈升高度、反复弯曲、缠绕、松弛、扭转性能、疲劳性能、伸直性能、冷镦性能) , 其中13项指标执行CJ 3077—1998《建筑缆索用钢丝》标准, 另外2项扭转性能和自由圈升高度执行JTT 775—2016《大跨度斜拉桥平行钢丝拉索》标准。

《建筑缆索用钢丝》中对扭转性能和自由圈升高度指标无说明, 因此对此两项指标按《大跨度斜拉桥平行钢丝拉索》执行。

送检15项指标均合格, 其中疲劳试验^[6]试样承受应力幅值360MPa, 应力上限0.45F_m, 200万次无断裂。由于原桥斜拉索受力较均匀, 各索受力与设计拉力偏差值离散性较小, 而且所抽样的斜拉索内无断丝现象, 斜拉索钢丝在运营过程中一直处于低应力状态。旧索钢丝虽然已使用22年, 受力较好、养护较完好的旧索钢丝疲劳强度并未降低。

1) 规格PESC5-151, 索径83mm (原设计图索径77.4mm, 为了提高防护能力, 参照现行规范建议索径取83mm) , 技术条件满足GB/T 18365—2001《斜拉桥热挤聚乙烯高强钢丝拉索技术条件》。旧索钢丝呈缺角六边形, 扭绞角2°～4°, 注防腐油脂, 缠绕玻璃丝带和2层聚酯复合带, 最后热挤PE。

2) 锚具LM5-151。

3) 索长根据施工监控指令联系单提供的SS5和YS5拉索相关数据, 采用新制锚具尺寸重新推算科研索长度L_s为77.634m。

旧索钢丝处理工序:旧索现场成盘→旧索返厂→旧索展开→锚头切除→PE剥除→钢丝散开→清洗油脂→挑选使用。

钢丝粗下料→排列、梳编、注油、并拢成型→扭绞缠包→切头→尾部处理。

粗下料长度78.2m^[7], 粗下料长度计算应根据设计长度、扭绞增加的长度、钢索切头长度和镦头预留长度确定。缆索断面排列方式为正六边形或缺角六边形, 扭绞角为3°±0.5°, 扭绞方向为左旋, 缠包方向为右旋, 扭绞过程中填充油脂。扭绞角度以钢索最外层钢丝的扭绞角度为准, 其计算公式如下:θ=arctan[π (D-d) /L], 其中D为钢索外径 (mm) , d为钢丝公称直径 (mm) , L为扭绞节距 (mm) 。

挤塑机预热→挤塑→冷却→包装→牵引到位。

挤塑之前的准备工作:针对拉索规格, 调整冷却水槽承重辊轮二次抛物线曲线。按要求换上合适的机头及模口;HDPE材料需进行2～4h烘干, 烘干温度控制在70～80°C。挤塑机各加热温度按选用的HDPE料熔化性能和挤塑机的不同分区而分别设定。挤塑机预热时间≥4h, 保温1h。在水槽注水、索头密封等准备工作做完之后启动挤塑牵引机将钢索送出机头外模口, 连接上牵引钢丝绳, 装上真空吸气罩, 启动挤塑机、牵引机进行正常挤索。

计算→复核→测量→检验→标记。

精下料长度计算时考虑钢丝设计长度、镦头预留长度、断索预留余量及温度修正长度。采用分段基线法精下料, 基线台座由专业机构定期标定, 标定精度可达1/30 000。技术人员测量长度, 质检人员复检长度, 确定下料线准确切割位置。

精下料采用专用锯床切割, 切割断面要与拉索轴线垂直, 垂直度用刀口形直角尺进行检测。拉索两端剥头长度计算公式如下:L=L₁+L₂-L₃, 其中L₁为锚固长度 (含钢护筒、延长筒的长度) , L₂为镦头预留长度, L₃为护套埋入延长筒的长度。

斜拉索由于精下料时温度与设计温度差造成的长度修正由下式确定:ΔS_t=αl (t-t₀) , 其中α为钢丝的线膨胀系数, 取1.18×10^-5;l为斜拉索理论精下料长度;t为标准丝制作时的温度;t₀为标准丝的设计温度。

锚具组装过程:精下料→装热缩套→组装锚具→剥头→除油→穿丝→镦头→封堵→预热→灌注→养护→密封锚头。

锚具在组装前将其各组件内外壁清洗干净, 再依次把锚具的各组件穿在缆索上, 将钢丝逐根穿入锚固板对应孔中。HDPE护套剥头长度保证护套深入连接筒内150mm。索中心的1根钢丝剪掉50mm。镦头机在镦头前要进行试镦 (满足镦头尺寸的油压) , 每镦头350次, 检查镦头机1次, 发现不合格零部件时及时更换。钢丝镦头圆整, 头型目视正直, 不偏斜, 允许有<0.1mm纵向微裂, 不允许有横向裂纹, 镦头以下不得有削弱断面。镦头直径不小于钢丝直径的1.4倍, 镦头高度应大于钢丝直径。镦完后将锚固板拉回紧贴镦头, 密封后装上扣板、压紧板, 连接振动器, 入炉进行60～80℃预热2h。

配料前矿粉在105℃下烘2h, 铁砂要除锈烘干, 配料应称量准确、搅拌均匀。填料依次为环氧砂浆、高温固化剂、常温固化剂。配料过程要按比例称取、搅拌均匀。开动振捣器, 将环氧铁砂料、高温固化剂和常温固化剂依次灌入锚杯、连接筒和延长筒内, 旋紧各连接部位, 放入养护炉准备固化。每个锚头养护时制作1组试件随炉养护固化, 灌注用料为环氧铁砂。锚头养护分为升温、恒温、降温3个阶段。试件强度≥147MPa。

张拉所需的千斤顶、油泵、油压表、压力传感器等按国家计量标准定期标定。张拉前检查千斤顶、油泵、油压表、压力传感器等的标定日期并及时进行标定。超张拉按技术文件及工艺卡要求分步进行, 张拉力按设计图纸规定, 并做好记录。张拉前在每端锚具120°处取3个锚固板顶点, 用深度游标卡尺测其距锚杯端面的深度, 并做好记录和红漆标识。张拉后, 在20%张拉荷载下进行长度复测。测量时记录当时温度, 之后再换算成设计条件下的标准温度索长, 拉索长度误差值ΔL<20mm。拉索预张拉后, 用深度游标卡尺复测3点标记的深度, 取其前后差的平均值作为该索的锚板内缩值。锚板内缩值≤6mm。锚杯与锚圈旋合自如。

拉索检验合格后, 在每根索的两端连接筒上用红漆分别印上拉索编号。采用脱胎成盘卷盘方式, 盘绕内径为2.0m。

成品索外包装采用多层包装, 即塑料薄膜、无纺棉布、彩条布。每盘成品索采用专用打包机分层打包牢固。拉索成盘后, 对锚头涂抹油脂进行防锈处理, 并用塑料套、无纺棉布包裹, 然后可靠定位, 挂上合格证。标牌牢固可靠地系于包装层外两端锚具处, 牌上注明拉索编号、规格型号、长度、质量、制造厂名、工程名称、生产日期等, 字迹应清晰。成品索露天存放时, 不得接近地面, 并用防雨布遮盖, 存放地周围20m内禁止烟火。在所有过程中要求轻吊轻放, 防止护套挂伤。成品索外表面不应有>1mm划痕, 不应有面积>300mm²损伤;锚具外表镀层不得有损伤;螺纹不得有任何碰伤。

基于郧县汉江大桥的特点, 旧钢丝制成的新索应用在结构受力较小部位, 且需考虑最不利情况, 若SS5b和YS5b同时断裂情况下桥梁不会出现安全风险。若2根索同时断裂, 主梁下缘正应力增量最大值为0.09MPa (见图2) 、主梁竖向最大变形为8mm (见图3) 、索塔岸侧面正应力增量最大为0.4MPa (见图4) 、索塔水平方向变形3.35mm (见图5) 、斜拉索21号索力增量最大值为33kN (见图6) , 均满足设计及规范要求, 无安全风险。

由于换索项目工期紧, 原桥的旧索钢丝难以大规模用至原桥上, 但组织得当可利用至其他桥梁上, 可大大节约桥梁施工成本。旧索钢丝的外观检测和性能指标检测尤为重要, 作为选择和判定旧索钢丝可利用性的关键性指标, 原桥斜拉索是否存在断丝、钢丝保护层失效程度、钢丝受力情况等均影响斜拉索的力学性能指标。综合考虑以上情况, 部分斜拉桥由于锚头锈蚀, 但斜拉索受力较好、钢丝保护较好的斜拉桥换索项目, 旧索钢丝可再利用制成新索。