徐章潔XU Zhang-jie

（中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610072）

1 概述

現(xiàn)代索道橋主要由錨碇、承重索系統(tǒng)、橋面、穩(wěn)定結(jié)構(gòu)四大部分組成，通常以鋼絲繩、鋼絞線或平行鋼束作為主要承重構(gòu)件，以鋼橫梁作為主索的橫向聯(lián)系構(gòu)件，在橋面索上鋪木板或鋼板作為橋面板，并以對(duì)稱布置于兩岸的錨碇來錨固整座橋梁的承重索，將索拉力傳給地基。

索道橋可一跨過江無需設(shè)墩，施工不受河道水位影響，故對(duì)河道水深且工期要求緊張的情況具有明顯的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)其適應(yīng)跨度大，目前民用索道橋最大跨徑為353m的汶馬高速公路獅子坪施工運(yùn)輸橋，施工周期短，工期一般僅需3~6 個(gè)月，并且造價(jià)相對(duì)較低，因而在水電站建設(shè)期間作為兩岸臨時(shí)交通銜接的重要手段，得到越來越廣泛的應(yīng)用。

目前針對(duì)索道橋主索的計(jì)算分析方法研究較多，主要有解析法和有限元法。文獻(xiàn)[2]以實(shí)例為基礎(chǔ)，對(duì)兩種計(jì)算方法得到的不同狀態(tài)下主索索力進(jìn)行了對(duì)比分析。但目前對(duì)于索道橋運(yùn)營(yíng)階段病害及治理措施的文獻(xiàn)相對(duì)較少，僅文獻(xiàn)[3]對(duì)四川白鶴灘、貴州香壩鄉(xiāng)及云南拖頂鄉(xiāng)的多座非臨時(shí)性索道橋進(jìn)行了調(diào)查，分析了其病害及維修情況。

本文調(diào)查了多座電站臨時(shí)索道橋的病害情況，以其中跨度最大、病害最為嚴(yán)重的下游施工橋?yàn)榈湫桶咐?，分析病害出現(xiàn)原因，提出治理方案及改進(jìn)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造措施。如表1 所示。

表1 臨時(shí)索道橋情況簡(jiǎn)表

2 索道橋設(shè)計(jì)

索道橋雖然經(jīng)過多年使用，但其橋面構(gòu)件布置形式少有發(fā)展，構(gòu)件僅在材料上存在差異。本文以某水電站下游施工橋?yàn)槔?，介紹索道橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.1 索道橋總體布置

某水電站場(chǎng)內(nèi)交通工程下游施工橋，設(shè)計(jì)主跨為226m，左右岸錨碇長(zhǎng)度均為15m，橋梁全長(zhǎng)256m。設(shè)計(jì)橋面寬度為：4.5m（單車道+兩側(cè)各0.75m 寬人行道）；設(shè)計(jì)荷載為：?jiǎn)诬?0t；設(shè)計(jì)行車速度為：不超過10km/h；設(shè)計(jì)橋梁主纜垂度為：6.4m；橋梁設(shè)計(jì)使用年限為：6 年；橋梁總體布置如圖1 所示。

圖1 索道橋橋梁總體布置圖（單位：厘米）

2.2 主索設(shè)計(jì)

橋梁主索由橋面索、人行道索和穩(wěn)定索組成，共48根。其中橋面索30 根、人行道索6 根、穩(wěn)定索12 根。主索采用Ф52—6×37+IWR—1770 鋼芯鋼絲繩，要求使用前按照設(shè)計(jì)單索拉力的1.5 倍（約650kN）進(jìn)行預(yù)張拉處理，以基本消除鋼絲繩的非彈性變形。

2.3 橋面系設(shè)計(jì)

全橋從兩岸向跨中由疏漸密配置31 根橫梁，將全橋分為32 個(gè)橋節(jié)，每個(gè)橋節(jié)寬度5～10m 不等，中間稍密，兩段漸稀。橫梁采用16Mn 鋼板焊接而成，斷面為工字型，梁高50cm，腹板厚度10mm，翼緣板寬20cm，板厚16mm，梁長(zhǎng)13m。由于橋梁跨度較大，為增加橋梁的橫向穩(wěn)定性，橫梁設(shè)計(jì)為倒八字形。

橋梁車行道板及人行道板均采用云南二級(jí)以上松木。車行道橫橋板尺寸為4900×200×100mm，車行道縱橋板尺寸為4000×230×70mm，人行道板尺寸為1100×250×50mm。為增加車行道板的耐磨性能，車行道板上左右車輪位置增設(shè)2 塊3mm 厚花紋鋼板作為護(hù)板，橋梁橫斷面布置如圖2 所示。

圖2 橋梁斷面布置圖（單位：毫米）

2.4 錨碇設(shè)計(jì)

索道橋的錨碇方式通常有地錨式、重力式、錨桿式、錨索式、組合式等幾種。由于本橋橋位區(qū)兩岸覆蓋較厚的第四系松散堆積物，主要為沖積（alQ3～4）漂卵礫石層，故左、右岸錨碇均采用重力式錨碇，利用錨碇與土體的摩擦力平衡主索拉力。兩岸錨碇設(shè)計(jì)尺寸均為：長(zhǎng)15m，高9.8m，上部5.8m 高度內(nèi)寬14m，下部4m 高度內(nèi)寬16m。錨碇內(nèi)預(yù)設(shè)直徑為700mm，厚度18mm 的鋼管錨梁，錨梁內(nèi)灌筑C40 混凝土。

錨碇內(nèi)錨索一端纏繞錨梁兩圈后采用8 個(gè)繩夾固定，另一端繞過連接調(diào)整器后同樣采用8 個(gè)繩夾固定。由于錨索需連接調(diào)整器，而鋼芯去除比較困難，故為便于彎折，纏繞鋼管的錨索鋼絲繩采用Ф54—6×37+FC—1770 的纖維芯鋼絲繩。埋入錨碇內(nèi)的主索、錨索及連接調(diào)整器均先涂刷一遍黃油，再用玻璃纖維布纏繞兩圈，然后再在表面涂刷一遍黃油，使錨碇內(nèi)的鋼絲繩不與混凝土連接。

3 橋梁運(yùn)營(yíng)過程中產(chǎn)生的病害問題

橋梁施工完成時(shí)經(jīng)荷載試驗(yàn)檢測(cè)，表明橋梁試驗(yàn)時(shí)結(jié)構(gòu)處于彈性工作范圍，承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

橋梁運(yùn)營(yíng)后，正處于電站建設(shè)的高峰期，橋梁保持長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)高強(qiáng)度的運(yùn)輸通行需求。橋梁設(shè)計(jì)荷載為單車60t，且要求單車、限速10km/h 通行，但實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，同時(shí)有2~3 輛重車上橋?yàn)槌B(tài)，且速度基本在20~30km/h。盡管由于索道橋本身的柔性特點(diǎn)，多輛車超速上橋引起橋梁大幅度振動(dòng)，在一定程度上控制了車輛的數(shù)量及運(yùn)行速度，但超速、超載情況仍然比較嚴(yán)重。

在此運(yùn)營(yíng)條件下，橋梁一直存在局部螺栓脫落，橋面鋼板局部翹起、破損開裂等問題，需要不斷小修養(yǎng)護(hù)。運(yùn)營(yíng)一年以后，橋梁病害明顯，行車舒適度及行車安全均存在一定隱患，需進(jìn)行大修整治。

3.1 橋面系病害

3.1.1 鋼橋面板病害

設(shè)計(jì)時(shí)為增加行車道板的耐磨性能，在行車道板上左右車輪位置增設(shè)2 塊花紋鋼板作為護(hù)板。左下溝索道橋及下游施工橋均采用3mm 花紋鋼板，運(yùn)營(yíng)初期橋面鋼板板端便出現(xiàn)了不同程度的卷曲開裂，明顯地，螺栓缺失處鋼板上翹特別嚴(yán)重，部分車轍處鋼板端部出現(xiàn)局部撕裂，如圖3 所示。

圖3 橋面鋼板翹起、開裂

在文獻(xiàn)[2]中所調(diào)查的索道橋也幾乎都出現(xiàn)橋面鋼板上翹、螺栓脫落的問題，說明橋面鋼板的病害是索道橋的通病。運(yùn)營(yíng)中，橋面鋼板的耐久性差極大地影響了索道橋的運(yùn)營(yíng)舒適度，增加了運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用。

3.1.2 車行道橫橋板部分折斷

下游施工橋在運(yùn)營(yíng)過程中，出現(xiàn)部分行車道橫橋板折斷的情況，橫橋板折斷部位沿縱橋向幾乎處于一條直線上，折斷位置最嚴(yán)重部位位于縱橋向1/3~1/4 跨處，如圖4所示。

圖4 橫橋板折斷

橫橋板剛度比主索大很多，計(jì)算時(shí)近似認(rèn)為主索對(duì)橫橋板的支承反力大小相等，即橫橋板整體下?lián)希珜?shí)際使用中存在橫橋板折斷的情況，且折斷位置基本位于車轍痕跡附近，說明主索受輪壓后變形并不一致，車輪作用處主索下?lián)献冃胃?。此外，如果鋼絲繩初設(shè)張拉不到位，非彈性變形未得到消除，在后期運(yùn)營(yíng)過程中，車輪荷載作用位置的主索將會(huì)產(chǎn)生更多的非彈性變形，從而導(dǎo)致主索在橫斷面上的撓度不一致，進(jìn)而導(dǎo)致橫橋面板的損壞。

3.1.3 橋面系護(hù)板底襯脫落

索道橋車行道橋面的花紋鋼板采用螺栓固定，螺栓穿過木橋面板，底部采用厚3mm，寬30mm，長(zhǎng)1320mm 的鋼板作為護(hù)板底襯，以便橫橋向連接螺栓，增加橋面系的整體性，如圖5 所示。

圖5 橋面板構(gòu)件連接示意圖

在橋梁運(yùn)營(yíng)過程中，護(hù)板底襯出現(xiàn)不同程度的松動(dòng)脫落，如圖6 所示。

圖6 護(hù)板底襯松動(dòng)脫落狀況

護(hù)板底襯脫落的原因，主要是由于索道橋橋面系各構(gòu)件之間，即：縱、橫向橋道板之間，橋面鋼護(hù)板與行車道板之間，以及行車道板與主索之間均未有緊密連接，整體性不好，主索在荷載作用下產(chǎn)生變形后，容易導(dǎo)致護(hù)板底襯脫落。另外，施工時(shí)螺帽安裝后未擰緊到位，也易導(dǎo)致螺帽松動(dòng)脫落，從而導(dǎo)致護(hù)板底襯脫落。

3.2 主索、橫梁的病害

本橋大修時(shí)檢查，主索未出現(xiàn)斷絲、矢度相差大的情況。橫梁及錨碇也未出現(xiàn)變形、裂縫等影響運(yùn)營(yíng)安全的病害。由此可見，影響索道橋運(yùn)營(yíng)舒適度及運(yùn)營(yíng)費(fèi)用的部位，主要是橋面系構(gòu)件。雖然索道橋的橋面系構(gòu)件少、重量輕、建設(shè)造價(jià)較低，但如果設(shè)計(jì)養(yǎng)護(hù)不當(dāng)，使用過程中經(jīng)常需要更換維修，也是一筆不小的費(fèi)用。

4 橋面系整治及改成措施

4.1 橋面鋼板

橋面鋼板的作用是保護(hù)縱橋板，但從實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況看，橋面鋼板對(duì)車輪荷載起到一定的擴(kuò)散作用。目前花紋鋼板的厚度大多根據(jù)設(shè)計(jì)院經(jīng)驗(yàn)習(xí)慣確定，文獻(xiàn)[4]采用3mm，文獻(xiàn)[5]采用6mm，文獻(xiàn)[6]采用5mm，統(tǒng)計(jì)常規(guī)厚度采用3～6mm。本橋及左下溝索道橋采用3mm 鋼板，在運(yùn)營(yíng)初期就出現(xiàn)翹曲問題，說明較薄的鋼板在車輛荷載下更容易出現(xiàn)病害，進(jìn)而降低了橋面板的使用性能。

下游施工橋在維修治理時(shí)，更換所有車行道橋面護(hù)面鋼板，并增加花紋鋼板的厚度至6mm。整治后，在加強(qiáng)運(yùn)營(yíng)管理的情況下，橋梁運(yùn)營(yíng)了近4 年，花紋鋼材出現(xiàn)病害的情況大幅度降低。雖然仍有鋼板局部翹曲等情況，但經(jīng)局部修補(bǔ)即可。

4# 臨時(shí)橋及6# 臨時(shí)橋設(shè)計(jì)時(shí)采用了6mm 花紋鋼板，運(yùn)營(yíng)時(shí)業(yè)主安排專人管理，基本按照設(shè)計(jì)要求單車限速通行。運(yùn)營(yíng)近2 年后，橋面鋼板翹曲、撕裂的情況基本很少，只在局部螺栓脫落處出現(xiàn)了鋼板局部翹曲的情況，如圖7 所示。

圖7 4# 臨時(shí)橋橋面鋼板

因此，設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)加厚橋面鋼板的厚度，建議采用6～8mm，并盡量按照單車、限速的要求運(yùn)行，對(duì)索道橋的運(yùn)營(yíng)狀況改善最為有利。

4.2 橋面板

下游施工橋在大修時(shí)對(duì)主索矢度及變形進(jìn)行過檢查，未發(fā)現(xiàn)主索間矢度不一致的情況，因此大修時(shí)只是更換了損壞的橋面板。

由于電站內(nèi)索道橋使用年限多為5～6 年左右，木橋面板具有材料輕、能很好地適應(yīng)橋梁變形、對(duì)鋼絲繩磨損較小的優(yōu)勢(shì)，因此仍廣泛采用。從木橋面板的破壞形式來看，為減少橋面板病害，一方面可提高其自身剛度，進(jìn)一步協(xié)調(diào)多根主索同時(shí)受力；另一方面，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)主索初始張拉的控制及架設(shè)后的調(diào)索，減少主索非彈性變形。黃紹金，劉陌生指出，220～280m 跨度范圍內(nèi)，主索矢度的允許誤差為±7cm。

此外，可采取構(gòu)造措施增加橋面系的整體性，將橋面鋼板、固定螺栓及護(hù)板底襯相互焊接，同時(shí)橋面鋼板的縱向分塊長(zhǎng)度不宜太大，可采用50～75cm，也有利于減少橋面板斷裂病害。

5 結(jié)論

通過對(duì)典型索道橋的設(shè)計(jì)以及后期運(yùn)營(yíng)過程中發(fā)現(xiàn)的病害治理，對(duì)比另外兩座同類橋梁運(yùn)營(yíng)后狀況，總結(jié)得出以下關(guān)于索道橋的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，可為后期同類型索道橋的設(shè)計(jì)、施工和管理提供一定參考：

①對(duì)于橋梁運(yùn)營(yíng)強(qiáng)度大、使用年限較長(zhǎng)時(shí)，可適當(dāng)增加車行道橋面鋼護(hù)板厚度或考慮采用鋼橋面板替代木橋面板。②索道橋橋面系整體性較差，車輛荷載作用下橋面變形大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮采取措施增大橋面整體性：如采用適當(dāng)增大護(hù)板底襯的厚度，或?qū)⒙菟ǖ撞柯菝迸c護(hù)板底襯焊接，以增強(qiáng)護(hù)板底襯對(duì)螺栓的橫向連接作用等措施。③索道橋主索的初始張拉及架設(shè)時(shí)的矢度調(diào)整至關(guān)重要，施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)質(zhì)量控制，必須按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行初始張拉，且施工時(shí)矢度調(diào)整必須到位，盡量保證主索矢度的一致性。④索道橋的運(yùn)營(yíng)管理對(duì)索道橋的使用壽命及運(yùn)行安全影響較大，若通行車輛長(zhǎng)期超速、超載行駛，將對(duì)橋面系構(gòu)件造成較大的不利影響，因此應(yīng)重視索道橋的運(yùn)營(yíng)管理工作。