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橋梁拉索的破損安全改造

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【摘要】:
橋梁拉索破斷統計表明,目前還不可能指望其與橋梁設計時限相同;亦即在橋梁的全壽命周期內,拉索將多次拆換或破斷。以致‘兩年一檢測,十年一拆換’幾為成例。然而,這樣是否就能排除拉索的驟斷的可能?理論上和實踐上均未見有依據的、經過證明、獲得實踐支持的肯定回答[1-9]。?1.1橋梁拉索的拆換及問題考查橋梁拉索的拆換,其基本情況如下。??(1)換索總費用高達740萬元,為全橋當年總造價(600萬元)的一倍以
    橋梁拉索破斷統計表明,目前還不可能指望其與橋梁設計時限相同;亦即在橋梁的全壽命周期內,拉索將多次拆換或破斷。以致‘兩年一檢測,十年一拆換’幾為成例。然而,這樣是否就能排除拉索的驟斷的可能?理論上和實踐上均未見有依據的、經過證明、獲得實踐支持的肯定回答[1-9]。
 1.1橋梁拉索的拆換及問題
考查橋梁拉索的拆換,其基本情況如下。
   (1)換索總費用高達740萬元,為全橋當年總造價 (600萬元)的一倍以上。
其中索具費用僅占14%;施工臨時設施費用達30%,鐵路安全費用54%,此二項之和高達80%以上。
   (2)當不計(或不存在)鐵路安全費用時,如表1中括號內的數據,則施工臨時設施費用為70%,索具費用為30%。
近期在成都市區內,一座鋼管凝土桁架平行肋拱橋,正在拆換吊桿和系桿,耗時一年多,其施工費用,不致比表1的實例少。
簡言之,在橋梁拉索拆換中,施工費用是主要的,
 1.1.2拉索驟斷毀橋的修復費用更高
拉索驟然破斷、橋梁受損后的修復費用,可為當年拉索造價的幾十倍,為全橋當年造價的1倍以上。此類情況,見諸于國內外文獻者,不乏實例,亦即拉索驟斷毀橋的修復的費用更高。
表1   L=120 m拱橋吊桿拆換費用分析      一覽表
序號 項  目 金 額/萬元 單  價/萬元/根 比   例
 /% 備   注
1 索  具 106.62 2.42 14.0(30.0) 索、錨、PE
2 安  裝 25.00 0.57 3.4 (7.2) 安裝調索
3 臨  設 218.70 4.97 30.0 (62.4) 施工支架
4 小  計 350.32 7.96 47.0(100.0) ∑[1+2+3]
5 鐵路安全 390.00 8.86 53.0 新建拆換均有
6 總  計 740.32 16.86 100.0 ∑[4+5]
注:[1]表中()內的為未計鐵路安全的百分比。
1.2  存在的問題
   (1) 拆換后的拉索沒有杜絕驟然破斷,拆換以后的拉索何時可能破斷或者何時再換,下次如何拆換,耗費將是多少,不得而知。
   (2)管理的無奈,橋梁管理者出于職責,采改“兩年一檢測,十年一拆換”, 在目前的情況下,固然不失為一種措施。
但是,這樣就安全了嗎?現有的檢測診斷技術[9],能保證在此十年的拆換周期內,拉索不致驟然破斷?顯然,目前尚未從根本上解決橋梁拉索的安全問題。
1.3  橋梁拉索的安全性研究  
1.3.1  拉索健康檢測與診斷
    美國明尼阿波利斯市密西西比河大橋,經明尼蘇達大學土木工程系基于健康監測,得出‘近期不必因疲勞問題而提前進行大橋的更換’;一家獨立咨詢公司在研究后也認為,大橋‘遭受關鍵性疲勞損傷的可能性很小’。于是,公路管理部門將大橋的更換工作安排到了2020年,并將兩年一次的檢測周期縮短為一年一次。
    大橋卻于2007年8月,在只有半幅通車的情況下垮塌了。事實否定了健康監測、評估的結論。因此文獻[9]提出了‘不要過高預期橋梁健康監測系統’的忠告。
    (1)拉索的壽命不能確定, 文獻[3]指出,“壽命預測為非確定性的統計量”,“很難或者根本不可能把它歸結為單一的數值。”,亦即橋梁拉索的破斷壽命,并不唯一確定。這是問題的性質所決定的。
因此,迄今橋梁拉索的驟然破斷未能杜絕。 
    (2)橋梁拉索破斷機理的研究,目前關于橋梁拉索的驟斷,提出了諸多論斷,并據以采取結構措施。諸如‘短吊桿破斷’、基于‘靜力強度的破斷’解釋、‘溫差循環破斷’、‘雙吊桿的安全性和利于拆換’…等等,事實果真如此嗎,斷索實例對此提出了尖銳的質疑[8]。
1.3.2 橋梁拉索破斷的本質
橋梁拉索失效的本質,為隨機作用下的腐蝕疲勞及多種因素的耦合。因此:
‘腐蝕疲勞’>[腐蝕+疲勞]的作用結果。
     腐蝕疲勞,與載荷環境(大小、方式、時間等)相關,也與介質環境(如大氣、應力、污染)相關;既包括通常理解的化學作用,也包含機械作用及其耦合。
結構耐久性,結構服役,是其剩余強度(壽命)的消耗過程,拉索的剩余壽命是衡量耐久性的指標。
剩余強度,為計及損傷折減后的即時結構強度,因此:
設計強度≠剩余強度
1.4 破拉安全拉索系統
    破損安全拉索(Failuer Safety Cable = FSC)系統研究,歷時五年多,冀在實現[6、7、8]:
斷索不毀橋,允許橋梁拉索隨時破斷;拉索破斷橋梁不致受損或垮塌,通過設計保證,獲得了實驗證明。
    實時在線拆換,在不中斷交通的情況下拆換拉索;拆換勿須通常換索的臨時支撐,較現有的拆換節省 (70~80)% 的費用。 
    不依賴于壽命預測,橋梁拉索隨斷隨換,不依賴于健康檢測與診斷,只需一般性的檢查、維護。
2 拱橋吊桿的破損安全改造
    作為FSC研究的應用,本文將討論在橋梁拉索拆換時的破損安全改造。即探討既有拉索拆除后,換用FSC系統,而非恢復原狀。目的在于拆換后的拉索實現斷索不毀橋。
2.1 改造示例1:交叉雙吊桿的FSC改造
這里將討論圖1所示拱橋吊桿系統的破損安全改造,以便與傳統吊桿拆換(圖1和表1)相比較。
     改造原則,對既有橋梁的結構、構造、受力不作大的改變,實現拉索系統的破損安全。
     改造方案,基于文獻[6、7]‘以應力差實現壽命差’的原則,構建FSC系統。對于圖1所示雙吊桿拱橋,擬采用圖2的FSC改造系統。
     為使系統成為破損安全的,這里取二吊桿(S1 和S2)的應力σ1和σ2的比值 σ1/σ2 〉1。當吊桿對稱于豎向布置的傾角為θ、吊桿材料相同時,需取二桿的截面A2〉A1。
為了實現S1破斷時,S2不致破斷,橋梁不受損毀,經破損安全分析(過程從略),宜取A2 = 2A1。
破損安全改造后的FSC系統,
改造討論, 分析和比較通常的吊桿拆換(圖1、表1)與改造后的FSC 吊桿系統(圖2、表2),可以得出以認識:
(1)FSC吊桿系統,具有斷索不毀橋、吊桿(S1)破損預警、實時在線拆換的功能。
(2)FSC吊桿系統,勿需憂慮吊桿驟斷,具有安全感,不需要‘兩年一檢測,十年一拆換’。
(3)吊桿隨斷隨換,斷一根換一根,不必一次全換,拆換的數量和費用大大小于現行吊桿系統。
(4)采用FSC系統對現行吊桿進行拆換改造,與通常的恢復原狀的拆換,其平均單價分別為9.40和7.96(萬元/根),前者的費用僅高18%。
(5) 以現行橋梁設計規范評估,FSC吊桿系統的安全系數均不小于規范的要求。
表2  L=120 m拱橋吊桿FSC改造費用分析 一覽表
序號 項目 金    額/萬元 單價/ (萬元/根) 比   例[1]  /(%) 備     注
1 索 具 160.00/106.62 3.60/2.42 38.0/30.0 索、錨、PE
2 安 裝 37.50 /25.00 0.80/0.57 8.5/7.2 安裝、調索
3 臨 設 218.70 4.97 53.0/62.4 施工支架
4 合 計 416.2/350.32 9.40/7.96 100.0 ∑[1+2+3]
注:[1]表中 /右側為通常拆換吊桿的數據,取自表1。
2.2 改造示例2:平行雙吊桿的FSC改造
跨徑 L=148 m的鋼管混凝土桁架肋拱橋,原設計為平行的、二桿截面相同的雙吊桿系統。
現討論吊桿系統的破損安全改造。其主要成果及分析如表3所列。方案要點如下:
(1)F及S索,FSC系統布置如圖6的右圖,索端錨固取用圖7的B型構造。  
(2)承載索F,吊桿截面與原設計相同為 61φ7, 索粗φ77;安全索S,截面取為121φ7,索粗φ103,以K件實現S與F索運營承載內力相等。
(3)設計內力,原設計單索內力為879 kN,即組合Ⅱ(恒載+掛車的內力,安全系數為4.46。
(4)斷索工況,在FSC系統中,當F索破斷瞬時,沖擊系數為1.63;計及斷索沖擊對S索的作用,加上S索原有受力后的等效內力為2.63×879,則斷索瞬時的安全系數為3.36;F索退出工作后,S索承受節點的全部設計載荷,其安全系數為4.42。
表3  FSC吊桿改造方案及分析一覽表
 內        容 FSC  改  造  方  案 原設計吊桿
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    徑 φ120 mm
4 設計內力SⅡ 879 kN 2×879/2.63×879[1] 2×879 kN
5 破斷拉力Sb 3920 kN 7777 kN 2×3920 kN
6 設計安全系數 4.46 4.42/3.36[1] 4.46
7 規范安全系數 2.50 2.50/1.75 2.50
注:[1]其解釋詳見本文2.2節之(4)斷索工況。
2.3 改造示例 3豎直單吊桿的FSC拆換改造
    國內拱橋的吊桿和斜纜多為單索,其FSC改造也是可能的。且為項目研究的主攻點之一,在可以預期的將來,有望取得研究和實驗成果。
     目前若沿用示例1和示例2的思路方法,亦可實現其FSC改造:即在橋道和拱肋上均用圖7之B型節點,布置傾斜的FSC吊桿系統,實現改造。
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