一种行进补偿式斜拉桥整体换索装备及使用该装备的换索方法与流程

本发明涉及土木工程桥梁领域，特别是旧桥加固改造，具体涉及一种行进补偿式斜拉桥整体换索装备及使用该装备的换索方法。

背景技术：

自上世纪八十年代开始，随着工程技术的发展，大量混凝土斜拉桥开始建造并投入使用。其中建造斜拉桥的斜拉索是具有一定使用寿命的，现行的《公路工程技术标准》规定斜拉索的设计使用年限是20年，实际使用过程中，斜拉索的使用寿命在15至50年之间，相对于大桥百年的使用寿命，每座斜拉桥都需要进行一次或多次换索。

目前常见的斜拉索分为钢绞线斜拉索和平行钢丝斜拉索。钢绞线斜拉索在更换工艺上可以采用单束更换(一根钢绞线的斜拉索包含若干束钢绞线)，过程中对桥梁结构和桥面交通几乎无影响；而平行钢丝斜拉索必须采用一根拉索整根更换的工艺，整根斜拉索卸载对桥梁结构和桥面交通影响较大，甚至需要限制或中断交通。尤其对于混凝土斜拉桥，整根拉索的卸载将使主梁局部拉应力增大5至10mpa，这将导致压应力储备较小或者长索区域混凝土主梁严重开裂，甚至导致部分旧桥不具备换索可行性。

现有技术中，尚无高效可靠的方法及设备可更换斜拉桥压应力储备较小区域或者长索区域的斜拉索。通常情况下，为更换混凝土斜拉桥的斜拉索，设计和施工单位的解决方法是长时间封闭或限制交通，卸索时使该区域主梁处于无支撑状态，并在这种状态下实施后续更换。

该方法的不足之处是，长时间封闭或限制交通带来不良的社会和经济影响；同时卸索时该区域主梁处于无索支撑状态，由于旧桥多年运营后其压应力储备已不能准确得知，换索导致主梁局部拉应力增大并加大了开裂的风险，甚至产生不可逆的严重破坏，不适用于压应力储备较小或者长索区域的斜拉索更换。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种行进补偿式斜拉桥整体换索装备及使用该装备的换索方法，该技术方案解决了混凝土斜拉桥压应力储备较小区域及长索区域整根斜拉索更换的技术难题，实现在不影响交通的前提下完成对旧桥整根斜拉索更换作业。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种行进补偿式斜拉桥整体换索装备，包括行进系统和支撑补偿系统；

所述支撑补偿系统包括主桁、设置在所述主桁上的主梁固定装置和设置在所述主桁上的卸索补偿装置；所述主梁固定装置包括两个且两个主梁固定装置与主桁为铰接，两个固定装置分别位于被换索位置前后各0.75～1.35倍索间距处；

所述行进系统包括固定竖向爬梯、移动竖向爬梯和牵引制动系统；所述固定竖向爬梯与所述主桁相对固定；所述移动竖向爬梯能够沿待换索主梁的轴向在所述主桁上移动；所述牵引制动系统牵引所述主桁沿待换索主梁的轴向移动。

进一步地，上述行进补偿式斜拉桥整体换索装备，还包括轨道系统，所述轨道系统设置于待换索主梁上，所述移动竖向爬梯和所述固定竖向爬梯均与所述轨道系统配合。

进一步地，上述行进补偿式斜拉桥整体换索装备，所述主桁上设置有用于测量所述主桁跨中相对挠度的位移计和标尺，和/或用于测量所述主桁跨中应变的应变计。

进一步地，上述行进补偿式斜拉桥整体换索装备，所述轨道系统的轨道为单轨或双轨。

进一步地，上述行进补偿式斜拉桥整体换索装备，所述卸索补偿装置包括顶升平台和顶升千斤顶。

相应地，一种使用上述行进补偿式斜拉桥整体换索装备的换索方法，包括：

(1)移动支撑补偿系统至待换索主梁上需要换索的位置；

(2)将支撑补偿系统与待换索主梁固定；

(3)实施换索，在旧索分级卸索过程中由卸索补偿装置同步对卸索力进行补偿；

(4)解除支撑补偿系统与待换索主梁的固定；

(5)重复步骤(1)-(4)至全部需要更换的索换索完毕。

进一步地，上述换索方法，步骤(1)中，移动所述支撑补偿系统的步骤为：

1.1移动竖向爬梯移动至距离主桁跨中±2m范围内；

1.2牵引制动系统牵引所述固定竖向爬梯和所述主桁移动，该移动方向与步骤1.1中移动竖向爬梯移动方向一致；

1.3重复上述步骤1.1和1.2，直至所述支撑补偿系统移动至待换索主梁上需要换索的位置。

进一步地，上述换索方法，所述卸索补偿装置为千斤顶；

步骤(3)中，旧索分级卸索过程由卸索补偿装置同步对卸索力进行补偿的方法为：

在换索位置的旧索分级卸载时，使所述千斤顶分级顶升所述主梁以补偿换索位置主梁因拆除旧索产生的影响。

进一步地，上述换索方法，步骤(2)中，所述主梁固定装置与所述主梁采用横桥向穿孔销接的方式，和/或采用竖向穿孔吊挂的方式固定；所述横桥向是指垂直于主梁长度方向的水平方向，也是本说明书具体实施方式中所述的横向。

进一步地，上述换索方法，在步骤(3)中，所述千斤顶分级顶升所述主梁时，测量主桁跨中相对挠度和/或测量主桁跨中应变，反演校核千斤顶顶升力，根据该反演的顶升力调整千斤顶。

本发明的有益效果如下：

本发明的换索装备能够在换索时同步补偿增加换索区域混凝土梁梁底压应力，避免换索过程底缘由于拉应力产生而产生病害，提高安全度，使不影响交通运载的同时更换混凝土斜拉桥压应力储备小的区域的拉索或长索成为可能。

附图说明

图1为本发明一个实施例中行进补偿式斜拉桥整体换索装备的结构示意图。

图2为图1所示的行进补偿式斜拉桥整体换索装备的剖面结构示意图。

图3a为本发明行进补偿式斜拉桥整体换索装备行进前的结构示意图。

图3b为本发明行进补偿式斜拉桥整体换索装备进行中的结构示意图。

图3c为本发明行进补偿式斜拉桥整体换索装备行进至下一换索位置的结构示意图。

图4为本发明使用行进补偿式斜拉桥整体换索装备的换索方法的流程图。

图5为本发明的换索方法中行进步骤的流程图。

图6为本发明的换索方法中千斤顶分级顶升所述主梁的流程图。

上述附图中，1、主桁；2、主梁固定装置；3、斜拉索；4、主梁；5、固定竖向爬梯；6、移动竖向爬梯；7、轨道系统；8、千斤顶。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1和图2所示，本发明提供了一种行进补偿式斜拉桥整体换索装备，用于桥梁的斜拉索3更换，包括行进系统和支撑补偿系统。

所述支撑补偿系统包括主桁1、设置在所述主桁上的主梁固定装置2和设置在所述主桁上的卸索补偿装置；所述主梁固定装置2包括两个且两个主梁固定装置与主桁为铰接，两个固定装置分别位于被换索位置前后各0.75～1.35倍索间距处；主桁以高强度钢材q235(或更高强度)或铝合金6061-t6(或更高强度)型钢为主材，通过焊接或栓接形成整体。在本实施例中，所述主梁固定装置与混凝土主梁采用横向穿孔销接方式，利用螺杆力张力产生的摩擦力固定；也可采用竖向穿孔吊挂方式固定。主梁固定装置与换索装备主桁采用销接铰接方式，使主桁纵向为简支结构。在实际作业中，主桁作为卸索补偿装置的反力平台，能够将千斤顶8的力反向施加于主梁，使卸索补偿装置在卸索过程能够对主梁进行应力补偿，提高主梁压应力，从而保证换索期间主梁安全和桥梁交通运载量。

所述行进系统包括固定竖向爬梯5、移动竖向爬梯6和牵引制动系统(图中未示出)；所述固定竖向爬梯与所述主桁相对固定；所述移动竖向爬梯能够沿待换索主梁的轴向在所述主桁上移动；所述牵引制动系统(可采用手动葫芦或卷扬机等)牵引所述主桁沿待换索主梁的轴向移动。通过行进系统能够将主桁移动至主梁的需要换索位置，从而方便施工。卸除旧索前，由固定竖向爬梯和移动竖向爬梯支撑所述主桁；准备卸索时，所述固定装置与混凝土主梁固定，此时主桁产生的载荷转移为由所述固定装置承担，所述移动竖向爬梯和固定竖向爬梯与主桁临时解除连接，不承受任何后续换索过程荷载；卸索后，固定装置与混凝土主梁的固定解除，主桁重量重新由移动竖向爬梯和固定竖向爬梯承受。在图3a-3c中，所述固定竖向爬梯和移动竖向爬梯在主桁行进时起支撑和牵引作用；固定竖向爬梯固定在主桁前进端；移动竖向爬梯移动至主桁跨中并仅提供竖向支撑，纵向(指沿着主梁长度的方向)与主桁为滑动关系；所述牵引制动系统在主梁上拉动固定竖向爬梯使之在梁顶上前进，带动主桁前进一个索间距。

进一步地，上述行进补偿式斜拉桥整体换索装备还包括轨道系统7，所述轨道系统设置于待换索主梁上，所述移动竖向爬梯和所述固定竖向爬梯与所述轨道系统配合。移动竖向爬梯和固定竖向爬梯给工作人员提供由主梁下至主桁的路径，另一方面与轨道系统配合，带动主桁沿轨道行进，给本装备提供规划好的行进路线。所述轨道系统的轨道为单轨或双轨，当受力无偏心时可采用单轨，当受力有横向偏心时可采用双轨以保持横向平衡(所述横向为图1中垂直纸面的方向)。

进一步地，所述卸索补偿装置包括顶升平台和顶升千斤顶8，顶升千斤顶顶推力不小于50～350t。旧索分级卸载时，主桁跨中的千斤顶分级顶升主梁，补偿旧索卸载对主梁的局部影响，将卸载力更加直接地转移至相邻斜拉索。同时，为了更好调节补偿应力，所述主桁上设置有用于测量所述主桁跨中相对挠度的位移计和标尺，和/或用于测量所述主桁跨中应变的应变计；用于测量主桁跨中相对挠度和/或主桁的跨中应变，反演校核千斤顶顶升力，根据该反演结果对主梁进行应力补偿，获得更好的补偿效果。

相应地，如图4所示，本实施例还提供了一种使用上述行进补偿式斜拉桥整体换索装备的换索方法，包括：

s100、移动支撑补偿系统至待换索主梁上需要换索的位置；

s200、将支撑补偿系统与待换索主梁固定；

s300、实施换索，在旧索分级卸索过程中由卸索补偿装置同步对卸索力进行补偿；

s400、解除支撑补偿系统与待换索主梁的固定；

s500、重复步骤s100-s400至全部需要更换的索换索完毕。

如图5所示，在步骤s100中，移动所述支撑补偿系统的步骤为：

s101、移动竖向爬梯移动至距离主桁跨中±2m范围内；

s102、牵引制动系统牵引所述固定竖向爬梯和所述主桁移动，该移动方向与步骤s101中移动竖向爬梯移动方向一致；

s103、重复上述步骤s101和s102，直至所述支撑补偿系统移动至待换索主梁上需要换索的位置。

在步骤s300中，在旧索分级卸索过程中由卸索补偿装置同步对卸索力进行补偿的方法为：

在换索位置的旧索分级卸载时，使所述千斤顶分级顶升所述主梁以补偿换索位置主梁因拆除旧索产生的影响。

为取得更好的效果，如图6所示，在步骤s300中，所述千斤顶分级顶升所述主梁时，

s301、测量主桁跨中相对挠度和/或测量主桁跨中应变，

s302、反演校核顶升千斤顶顶升力，

s303、根据该反演的顶升力调整顶升千斤顶。

以下为几个采用本发明换索装备和方法的测试实例：

实例一：

某双边肋板梁为主梁的混凝土斜拉桥，桥宽23米，梁高2米，梁上索间距8m，斜拉索锚固于双边主梁。

在桥面上组装纵向轨道及牵引系统，安装竖向爬梯、主桁、主梁固定装置，主桁上设置顶升千斤顶。先期主桁固定在竖向爬梯上；对双边肋混凝土主梁进行横向开孔并避开其内部预应力管道，固定装置拉杆穿孔，并张拉螺杆固定后，将主桁重量从爬梯转移至固定装置。

开始实施换索时，先触动拟更换斜拉索张拉端锚头以获取初始张拉力；旧索分级卸载，主桁跨中的千斤顶分级顶升主梁，补偿旧索卸载对主梁的局部影响。主桁千斤顶累计顶升200t，主梁局部向上位移约2cm，主梁梁底压应力增加约5mpa。索力卸载后实施索体的卸除和新索的穿束，新索采用分级张拉至目标索力，同步分级卸除千斤顶顶升力，一整根斜拉索换索完毕。

主桁前移至下一换索位置，准备下一根斜拉索的更换。

实例二：

以单箱多室闭合箱梁为主梁的混凝土斜拉桥，斜拉索锚固于边箱实体块，边箱梁底调平后布置顶升千斤顶，其余换索实施过程与实例一相同。

实例三：

以单箱多室闭合箱梁为主梁的混凝土斜拉桥，斜拉索锚固于中箱，换索实施时，上下游边箱均设置主桁并在主桁间布置横向联系通道，横向联系通道跨中布置顶升千斤顶，其余换索实施过程与实例一类同。

采用本发明的装备及方法进行换索，能够在换索时同步补偿增加换索区域混凝土梁梁底压应力，避免换索过程底缘由于拉应力产生而产生病害，提高安全度，使不影响交通运载的同时更换混凝土斜拉桥压应力储备小的区域的拉索或长索成为可能。并且本发明的装备工艺简单，易于操作，成本低，即是工作平台也是卸索补偿受力结构。再者，本发明装备为行进式，可循环使用，直至更换完一个斜拉桥的所有斜拉索。装备可重复利用，可于不同的斜拉桥上应用。装备易控制和调整，主桁受力明确，通过控制主桁的位移和/或应变可以反演校核千斤顶顶升力并对顶升力进行调控。装备占用空间小，几乎不侵占行车空间，对交通影响小。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。