更换的门道——浅谈斜拉桥换索项目中需要注意的几个问题

斜拉桥是将主梁用多根拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁，是由承压的塔、受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系，可以看作是拉索代替支墩的多跨弹性支承连续梁。由于这种结构形式可使其梁体内弯矩减小，建筑高度降低、结构重量减轻并节省建设材料，因而成为大跨径桥梁的首选。世界上第一座现代斜拉桥是1955年德国DEMAG公司在瑞典修建的主跨为182.6m的斯特伦松德（Stromsund）桥。1977年12月11日，我国自行设计建造了首座斜拉桥——崂山大沽河斜拉桥，自建成通车以来，中国至今已建成各种类型的斜拉桥100多座，其中至少有52座跨径大于200米，我国已成为世界上拥有斜拉桥最多的国家。随着时间的推移和运营条件的改变，除部分斜拉桥由于设计和质量缺陷原因提前换索外，相当数量的运营桥梁正逐步进入全桥换索的窗口期。

本文依托2017年实施的重庆李家沱长江大桥全桥更换斜拉索项目，从管养（建设）单位角度对整个工程在前期病害调查、方案选择、工期确定、材料检测、施工管理等方面进行梳理，为后续国内同类桥梁换索项目提供可借鉴的经验案例。

李家沱长江大桥位于长江重庆境干流，为重庆市中心城区在长江上建设的第二座跨江桥梁。大桥北接九龙坡区，南接巴南区，桥型为双塔双索面悬浮式预应力钢筋混凝土三跨斜拉桥。大桥全长1288m，最大跨径444m，主桥长888m，引桥长400m，跨径组合为：过渡孔(53m)+主孔(169m+444m+169m)+过渡孔(53m)+南引桥(8×50m) ，双向4车道。设计荷载：汽车-超20级，挂车-120，设计车流量为每日3万辆，当前实际日车流量约3.4万辆。大桥于1991年12月26日动工建设，1997年元月竣工通车。

该桥结构体系为双塔双索面预应力混凝土斜拉桥，塔、墩固结。主梁为纵向悬浮体系，塔梁交叉处设置横向限位装置，在过渡孔与北台及南引桥结合处设置大位移伸缩缝。

主梁采用扁平实心双主梁断面，肋高2.5m，宽1.7m。横梁间距为4.5m，设置横向预应力钢束，主梁在中跨中间部分及边跨部分区段设置有纵向预应力钢束。主塔呈花瓶形，全高141.5m，塔身为矩形空心断面。拉索采用扇形双索面布置，梁上索距为9m，塔上采用不等距排列，索距1.5～1.6m。每个索面中有24对斜拉索，全桥共计196根斜拉索，桥墩支点处设0＃支点拉索。大桥采用的LM7型冷铸锚具。主桥北塔主墩采用Φ2.6～3.2m变截面挖孔桩基础，南塔主墩选用沉井基础。

图1  李家沱长江大桥桥面

图2  李家沱长江大桥总体布置图

李家沱大桥经过近20年的运营,先后于2011年、2013年委托两家专业单位，对锚头渗水和表观缺陷较严重的8根斜拉索进行开仓检查,并对更换的S15＃和N17＃斜拉索进行解剖检测评估。旧索检测显示,拉索上下锚头、钢丝、PE护套及缠包带均存在一定程度的缺陷病害,斜拉索抗拉性能、延伸性能有一定程度削弱,单根钢丝抗扭转性能、抗疲劳性能、镀锌层防腐已不满足规范要求。管养单位在组织桥梁专家对旧索检测报告进行评审、征求原设计单位意见,并报政府批准后,组织开展全桥换索工作。

本项目为大型斜拉桥换索工程。大桥地处城市城郊接合部,人、车流量大(重车占比高),周边路网及交通管制复杂,安全风险高。大桥运营时间长,病害严重,部分拉索退锚难,拉索出口处(箱梁底部固定端)灌有环氧混合物,旧索取出难度大,施工指令控制复杂,项目整体技术难度大。

本项目采取在不中断桥面交通条件下进行全桥换索施工，换索期间将封闭桥面一侧交通（单侧单道双通），由塔顶按从上到下顺序依次进行拉索更换，封闭上游（或下游）半幅桥作为施工区域，下游（或上游）半幅桥采取限行（禁止所有货运车通行）措施。

按照设计选定方案,先将上游(或下游)的斜拉索进行更换施工,斜拉索更换施工顺序为北塔24＃索→南塔24＃索→北塔23＃索→南塔23＃索→北塔22＃索→南塔22＃索→北、南塔21＃索→北、南塔20＃索→北、南塔19＃索→……→北、南塔1＃索→北、南塔0#索，即在22＃～24＃索每次更换同一个塔柱的两根拉索，0＃～21＃索每次更换四根拉索(索塔前后对称)，再进行下一工序拉索的更换。上游(或下游)施工完成后，进行桥面交通组织转场,封闭下游(或上游)，照此顺序依次进行斜拉索更换施工,直至完成全桥斜拉索更换施工。

该方案主要具有以下几项优点：

1.施工过程中封闭半幅桥面，施工空间达到7.5m宽，对于卸索、展索、挂索时的机械操作非常有利。

2.换索施工牵涉到高空作业，对于封闭的半幅桥，车辆和行人均禁止通行，且与另侧车道有一定距离，并在桥面南、北桥塔区域搭设防护棚，可最大程度避免高空坠物或其他因素导致的安全事故。

3.便于交通组织。半幅桥面既可以开放机动车道，也可开放非机动车道和人行道，可最大限度满足周边居民通行需求。

4.换索施工期间,有部分时段是在缺少几根斜拉索状态下进行承载,由于在封闭一侧进行换索,通行的车辆、人群荷载将主要作用在相邻斜拉索和另半幅主梁结构上,对主梁和主塔的结构受力比较有利,施工结构安全系数较高。

5.换索施工原则上应对称同步进行,即实现塔柱两侧对称、上下游对称。如果上、下游同时施工,需要施工单位所投入的人力、机械数量大幅增加,且现场有8个作业面同时施工,对于施工单位的现场管理和施工监控指令的计算要求过高,施工事故发生的概率上升。因此,封闭半幅桥面开展换索施工可有效降低施工单位的现场管理难度。

当然，采用半幅施工，只能对一侧斜拉索更换施工完成后才能进行另一侧的换索施工，耗时比双侧同时施工增加了一倍，总工期稍长。

在单号索换索施工过程中，对具体作业时间进行如下规划：

第一天：开展桥梁待拆除斜拉索索力、标高测量以及旧索拆除，并进行索孔清理、塔上放索及旧索回收工作；当天夜间开展测量和塔上放索（索力释放）环节，全封闭桥面交通。

第二天：开展材料（拉索）的运输；桥面放索；塔端挂索；梁端挂索；拉索张拉；安装索导管以及减震器、防雨罩等其他附属构件安装工作。

第三天：实施桥梁新安装斜拉索索力、标高测量及整体养护，并根据当天的索力监测结果，对新安装斜拉索进行索力粗调等项工作，当天夜间开展测量和索力调整环节，全封闭桥面交通。

综上所述，考虑到单号索（长索，24＃～20＃）索体较长、挂索高度较大、施工操作繁琐等实际情况，换索周期暂按照4天（含养护）加以规划，而单号索（19＃～0＃短索）的更换则需要3天（含养护）。

换索施工包含前期准备、斜拉索的制作和运输、斜拉索拆除安装施工、中期转场、场内设施恢复及现场验收等内容。换索前准备工作，主要控制节点为交通组织转换，涵盖人行通道分离、防护棚搭设、加装交通诱导系统和区间照明系统等环节。在此期间，施工电缆的敷设和施工平台措施的搭设也可利用该空窗期进行。斜拉索的材料检测、生产制作都将影响现场更换的进度，故而必须协调并系统把控施工监控、锚具制作等项工序，确保成品索供应按计划稳步推进并适度提前。在换索后半阶段，随着更换的斜拉索长度减小，施工面明显缩减，在经现场论证后可在单个单号索更换周期内，同时更换四根短索以提高更换效率，但须增加场内管控和安全监管投入，确保换索施工过程中各工序安排得当、措施安全可控，以顺利完成全桥换索工作。

受拉索材料和制作工艺的限制，在斜拉桥的全寿命周期内，面临着需要多次更换拉索的实际情况。

在周边区域，石门嘉陵江大桥和涪陵长江大桥与本项目情况相仿，两座大桥亦均为斜拉索体系桥梁，且均在近期内对全桥斜拉索进行过更换，两座大桥的换索工艺和流程基本相似，因此对本项目斜拉索更换工期的确定具有一定的参考价值（见表1）。

表1 李家沱长江大桥等三座斜拉桥换索对照表

鉴于李家沱长江大桥全桥更换斜拉索工程是在不中断交通条件下进行，并考虑到中期需要转场施工的实际情况，将本工程单号索更换周期控制在3天较为合理。

依据换索设计单位选定并推荐的全桥换索方案，整个大桥换索过程将分成两个阶段进行。在斜拉索更换过程中采取封闭一侧交通（如图4所示），即封闭上游（或下游）半幅桥作为施工区域，而对下游（或上游）半幅桥实施限行，禁止所有货运车通行。

图3  换索施工中封闭交通示意图

在单拉索更换周期内，每次放索（卸载）和新索张拉（索力监控）时夜间桥面交通各中断4小时，其余换索时间桥面仍采取有限交通通行。先将上游（或下游）的斜拉索进行更换施工，等施工完成后，将上下游桥面交通组织进行转换，封闭下游（或上游），并照此顺序依次进行斜拉索更换施工，直至完成全桥的换索工程。上、下游斜拉索的更换（一号索更换为一个周期）均需28个换索周期。

在换索准备阶段，委托专业设计机构对场外交通组织开展专项设计，并根据桥梁原设计单位、交管部门、公共交通专家多次审查完善，最终确定本项目场外交通组织方案。方案以远端分流引导、近端疏导通行相结合的方式，采取固定标志、增设指示灯、加装可变情报板等措施，不断完善桥区周边路网信息和标志标线，引导车辆有序高效绕行。

在选择桥面围挡时，应考虑其固定形式对桥面铺装层的影响，优先选用非嵌入式的施工围挡，以满足对桥面铺装整体性能的保护。同时，委托专业检测机构或原设计单位对施工过程进行监控，发布监控工作指令，控制施工节奏，严格控制换索过程中的桥梁形变指标。在换索前和换索完成后，对桥梁既有病害及其发展情况进行普查，系统综合评价换索过程对桥梁结构的影响。换索期间，安监部门采用政府购买服务模式，委托桥梁、材料、安全管理等领域的权威专家组成安全监管咨询专家组，全过程参与换索期间的桥梁安全监管工作，确保换索项目顺利进行。建设单位在施工过程中还必须加强对人员、设备、安全措施的监管，强化风险防范意识，确保工程以较高质量按期完工。

作为斜拉桥重要的功能构件，拉索质量直接关系到桥梁结构和运营安全。本项目在实施前，建设单位按照重庆市关于工程质量检测的相关要求，在设置斜拉索驻厂监理的同时，委托独立的第三方检测机构，对拉索生产用钢丝、锚具、冷铸填料等原材料和中间产品按规范开展材料性能检测，并将第三方独立检测单位作为本项目参建一方强化管理，提升原材料的品控水平，为高质量完成全桥换索和大桥后期运营安全提供了坚强保障。

由于是在不中断交通条件下进行，该换索项目要求对监控指令、隐蔽工程、交通组织、材料加工等重要工序加强计划安排，尽量缩小夜间交通封闭的频率和时长，减小对周边居民生活出行的影响。总的来看，这次全桥换索项目的顺利竣工，得益于科学合理的选择换索方案和缜密的施工过程管理，以及质监、安监主管部门的关心支持。同时，前期对换索工期的反复推演确认和拉索材料质量的严格控制，都为换索项目的顺利完工奠定了坚实的基础。