虎门大桥悬索桥为跨径m的单跨双铰加劲钢箱梁悬索桥，梁全宽35.6m。主缆直径68.7cm，由束丝Φ5.2mm镀锌高强钢丝组成，矢跨比1：10.5，两主缆中心间距33m。吊索间距12m，吊点用4根Φ52mm金属芯钢丝绳，型号为8×55WS+IWR，公称抗拉强度MPa，钢丝绳最小破断力kN。加劲梁采用扁平闭口流线型钢箱梁，钢箱梁桥面板厚12mm，U肋板厚8mm，采用进口SMC板材。
索夹采用左、右对合的结构形式，左、右两半索夹通过螺杆相连并紧固于主缆之上，主跨共设个索夹、根吊索。吊索与索夹为骑跨式连接，吊索进入钢箱梁内采用承压式锚固方式，锚头为套筒式热铸锚头。
图1虎门大桥悬索桥索夹、旧吊索构造
年2月21日，在吊索经常性检查中发现，悬索桥西行38号吊点东侧外侧一根吊索在锚头上端局部有异常现象，并持续跟进检查；2月28日下午，该吊索异常位置发生变形，将吊索变形处外表面的防腐涂层进行剥除，发现有部分钢丝锈蚀断裂。虎门公司立即启动应急预案，并迅速实施全桥吊索更换工作。自定义短吊索为可采取缩短梁缆间距方式使吊索“松弛”，从而完成其卸载的吊索。以下主要介绍新短吊索的更换情况。
缩短间距实现先卸后拆新工法
总体换索方案
总体换索方案需考虑以下因素：
①旧吊索必须经过完全卸载后方可进行拆除,旧吊索锚头直接锚固在加劲梁内的锚垫板之上,其自身不具备卸载功能。
②考虑采取缩短待换索点处梁缆间距的方式使，旧吊索“松弛”来完成其卸载，梁缆间距的缩短考虑采用带可张拉构造的临时吊索来实现，悬索桥加劲梁吊点处间隔布置有加劲梁吊装施工时留下的临时吊耳，经计算分析得知，该间隔布置的临时吊耳可作为临时吊索的底部锚固点。
加劲梁吊点处已有的临时吊耳见图2。
图2加劲梁临时吊耳计算模型图
③仅通过临时吊索无法满足无临时吊耳处吊点的旧吊索卸载需求，此外考虑到新吊索更换后的索力控制，新吊索设计因具备张拉功能，新吊索更换完成后，通过张拉来缩短梁缆间距的方式，来参与邻近旧吊索的卸载。
④虎门大桥作为珠三角重要的东、西向通道，吊索更换施工首先考虑在封闭应急车道及慢车道的情况下进行，即换索施工与桥面运营通车并存，换索施工不得影响运营状态下的桥梁结构安全。
综合考虑上述因素，确定采取“临时吊索+新吊索”共同张拉方式进行旧吊索卸载拆除，新吊索底部设计为可张拉的锚固构造形式。总体换索方案布置如下：
对于有吊耳处的吊点，主要采用临时吊索来进行保护及卸载，通过临时吊索张拉来实现该吊点处的旧吊索卸载及拆除，单个吊点处更换完成一根新吊索后即拆除临时吊索，采用已更换的一根新吊索张拉，来完成另一根旧吊索的卸载及安装，必要时，相邻吊点处已更换完成的新吊索参与卸载。以46#吊点为例，有吊耳处吊点的换索工艺示意图如图3。
a、临时吊索张拉使待换旧索卸载
b、已安装的新索张拉辅助临时吊索拆除及另一根旧索更换
图3有吊耳处吊点换索工艺示意图
对于无吊耳处的吊点，通过其相邻一侧的已更换完成的新吊索，及另一侧未换索点处的临时吊索共同张拉来实现其卸载及拆除。待换索点处吊索更换完成后，恢复相邻已换索点处的新吊索索力。
新吊索设计
新吊索构造要在满足其使用功能外，还要满足换索施工需求。新吊索采用带拉杆的可张拉构造，可实现索力的调节，由吊索钢丝绳、锚杯、连接套、拉杆、球形支座及球形螺母、防扭装置、吊索间夹具等组成。
图4新吊索构造图
新吊索钢丝绳采用公称抗拉强度MPa的8×55SWS+IWR-52mm镀锌钢丝绳，理论破断力为kN。吊索钢丝绳两端设锚杯，通过连接套与拉杆连接。拉杆穿入加劲梁内的锚板孔后，设锚垫板+球形螺母的形式予以锚固。
相比旧吊索，新索较旧索安全性及耐久性均有提高，主要表现在以下方面：
①新吊索强度级别（MPa）较原吊索（MPa）要高，当吊索截面产生相同程度的腐蚀后，新吊索的承载力仍较原吊索要高10%，结构更安全。
②新索镀锌采用级别最高的A级，并增加新的涂装，综合防腐性能提高。
③旧索的锈蚀损伤发生于钢箱梁锚固区，吊索的下锚头，由积水引起；新索改进了锚固构造，并设置排水通路，积水现象有效解决。
④新索下锚头增设球形垫圈，适应转角，有效解决短吊索的疲劳问题。
⑤新索将锚固构造优化，一来方便箱内张拉，可更换性能增加；二来设有螺纹，吊索长度可调。
⑥部分吊索设置永久压力环传感器或磁弹仪，可较准确检测索力。
临时吊索设计
临时吊索是换索施工过程中的重要临时结构，临时吊索系统设计为，由工具索、插销、插耳及拉杆、连接套、张拉横梁、张拉杆及千斤顶、拉杆螺母及细拉杆螺母等构件组成。其中工具索采用公称抗拉强度MPa的8×55SWS+IWR-84mm镀锌钢丝绳，理论破断力为kN。考虑到临时吊耳的结构安全，设计最大工作荷载为70t。临时吊索系统构造见图5。
图5临时吊索系统构造图
由低向高严控施工细节
换索工艺流程
换索的总体顺序采用从低处往高处的顺序进行，即从跨中向两塔方向依次进行吊索更换。吊索更换施工时，按上、下游及东、西侧同步的原则进行。
对于单个吊点处换索工序顺序为：临时设施安装→腻子清除→旧吊索卸载→吊索夹具拆除→吊索锚头处解除锚固→旧吊索拆除下缆→索夹绳槽旧腻子清除并涂抹新腻子→新吊索安装上缆→新吊索夹具安装→新吊索底部锚固装置安装→新吊索张拉调整至目标索力。
施工临时设施
（1）桥面作业区围蔽
虎门大桥日常交通十分繁忙，为尽量减少对两岸交通及经济的影响，不考虑全封闭施工，只封闭一条应急车道及一条慢车道，作为吊索更换的作业通道。
（2）加劲梁风嘴处作业平台
采用可装配式模块化操作平台，搭拆简便，大大提高了安全性及效率。
旧吊索卸载及拆除
旧吊索采用临时吊索及新吊索张拉，改变梁缆间距的形式进行卸载。临时吊索卸载前，先进行临时吊索系统的安装及张拉。根据临时吊索的长度，对于满足汽车吊装作业要求的，则采用汽车吊进行安拆。超出汽车吊装能力范围的则采用两台8t卷扬机，组成单线往复牵引系统，作为起重吊装工具进行安拆。
临时吊索系统安装完成后，根据监控提供的数据，分级张拉临时吊索，过程中注意加强对待更换吊索及相邻两组吊索的索力监测。
旧吊索卸载完成后，即可依次拆除旧吊索夹具及底部锚固构造，再利用汽车吊或卷扬机将其吊装拆除下缆。
图6旧吊索夹具拆除实拍
新吊索安装及张拉
新吊索上缆安装操作为旧吊索拆除的反向操作，新吊索安装完成后，先将新吊索根据其上的标线调整至顺直，防止新吊索在扭转状态下进行张拉及受力，然后在加劲梁锚固端内用定制的千斤顶系统对其进行张拉。
钢丝绳吊索会随着张拉力的施加发生扭转，因此，对张拉过程中吊索扭转的控制是新吊索张拉施工的关键。张拉过程中吊索防扭转，采用针对性设计的防扭转扳手来实现，防扭转扳手卡固于吊索张拉杆上预设的六角断面区处，尾部通过方木顶固于加劲梁竖向钢板上。
实时监控确保通行安全
施工监控目的
换索施工中旧吊索卸载及新吊索张拉等工序，都涉及悬索桥吊索的受力重分配以及梁缆间距改变，对桥梁结构受力及桥面线形存在一定影响。虎门大桥换索施工期间不封闭交通，为确保换索施工安全以及桥梁结构受力安全，同时对换索施工提供指导及支持，施工监控是必不可少的。
梁缆间距监测
换索施工中，由监控单位对换索吊点以及其左右侧各两个吊点，共计五个吊点处的梁缆间距进行全过程监测，通过理论计算数据与实际监测数据的比对来指导施工，并及时发出预警，确保桥梁结构安全。
梁缆间距监测采用拉线式位移传感器，数据采集后及时进行比对及分析。
图7梁缆间距监测数据分析
因采用缩短梁缆间距的方式进行旧吊索卸载的换索工艺，以及新吊索安装完毕后要进行张拉施工，单个吊点处换索完成后梁缆间距将存在残余变形，无法恢复至换索前的状态，此残余变形也是换索施工监控的控制重点。通过对单个吊点处吊索更换施工前后的梁缆间距比对，可得知该点的残余变形值。
监测数据显示，目前已更换完成换索的48个吊点中，残余变形最大为-10.71mm，平均为-3.7mm，都导致梁缆间距缩小，残余变形控制效果良好，对桥面线形影响不大。
新吊索索力监测及控制
除在新吊索张拉施工中采用千斤顶油表读数进行张拉力控制外，对新吊索索力进行监测及控制存在三个方面的意义：一是控制新吊索张拉索力，使其张拉精度满足设计要求；二是通过新吊索张拉来进行旧索卸载时控制其张拉力在允许范围，确保桥梁结构安全；三是设置桥梁运营期的永久索力监测设施，掌握吊索索力变化。
根据吊索长度情况，新索力采用压力环传感器监测法、新型磁弹仪监测法、振动频率量测法等监测手段结合进行。
对于23#~50#吊点等跨中区域处的吊索，其长度较短，无法采用振动频率量测法进行索力监测，因此采用在吊索锚固端处布置永久压力传感器进行监测。同时在吊索索体处布置新型磁弹仪与压力传感器结合使用，两种监测方法的数据互相验证，确保数据精准。
对于长度满足振动频率量测法要求的吊索，则采用振动频率量测法与张拉千斤顶油表读数配合的方式进行。此外，另选取有代表性的吊索，在其上布置作为永久监测设施的新型磁弹仪。
图8振动频率量测法索力监测
新吊索退扭监测
悬索桥吊索采用钢丝绳索体构造，吊索钢丝绳在受力后易出现扭转现象，该扭转会在吊索安装施工中予以限制。但由于新吊索锚固端螺母垫片与锚垫板之间的接触面积，较旧吊索锚头的要小，因此在吊索更换完成后，新吊索在长期的动荷载作用下，可能会出现退扭现象。
新吊索退扭监测采取在吊索锚头处贴环形标尺，并在锚垫板及锚头处画标记线的方式进行。通过标记线的对比，可直观地获取吊索的扭转情况。
目前已更换的96根吊索中，发现个别锚头存在退扭现象，退扭情况为锚杯带着拉杆、球形支座、螺母一起退扭。持续监测后发现，吊索更换20天后退扭情况未出现发展。为稳妥起见，设置了防退扭装置。
从旧问题规避新风险
旧索外观检测
（1）钢丝绳断丝检测情况
截至年1月8日，已完成双向25-48号吊点共96根吊索更换。旧吊索钢丝绳断丝检测结果如下：
①有14根吊索存在不同程度断丝情况，占比14.6%；
②除西行38#东侧吊索存在严重断丝外，其余断丝吊索情况较为轻微，单根吊索处最多断丝数为5丝，普遍为13丝；
③除西行38#东侧吊索在锚头处存在断丝外，其余旧吊索断丝均发生在吊索与索夹切点处；
④随着吊索长度增加，断丝情况逐步减少。
（2）钢丝绳锈蚀检测情况
钢丝绳锈蚀情况检测结果如下：
①已经更换完成的96根吊索中，有82根吊索存在不同程度的锈蚀，占比85.4%；
②锈蚀主要分布于锚头和切点处，其中切点处锈蚀情况比锚头处严重；
③随着吊索长度增加，锈蚀情况有减轻的趋势。
（3）锚头检测情况
选取4个状态最差的锚头进行剖解检测，结果如下：
①有2个内部局部不密实，4个锚头底部均有孔洞；
②4个锚头内部均存在不同程度的锈蚀情况。
旧索破断试验
为进一步验证旧吊索的实际承载能力，选取了四根状态最为不利的旧吊索进行了破断试验。破断试验分为直拉试验及弯拉试验两个部分。直拉试验直接将旧吊索展开直放后，对两端锚头施加张拉力；弯拉试验模拟旧吊索实际受力状态来施加张拉力。
旧吊索破断力试验结果如表1所示：
弯拉试验出现断丝的索力和试验破断力均大于直拉试验。通过旧索弯拉试验结果表明：开始出现断丝的最小索力为t。
旧索老化原因分析
经分析，虎门大桥吊索出现锈蚀及断丝等老化现象的原因如下：
①虎门大桥作为珠三角地区重要的东、西向通道，车流量极大，大桥在长期的高负荷运营下，易出现构件疲劳老化。
②虎门大桥位处亚热带多雨区域，常年高温高湿，且因靠海，空气中氯离子含量较高，在索夹处及锚头处为吊索防腐封闭的薄弱点，水汽较易进入，从而导致锈蚀及断丝，且锚头处因易进水而造成积水，锈蚀作用明显。
③悬索桥跨中区域处吊索最短，其柔性最低，对于柔性体系的悬索桥结构的适应性最差，此处吊索最为容易出现老化及损伤。
目前悬索桥已完成96根短吊索的更换，之后将利用卡绳器更换长吊索工艺试验及旧吊索试验的结果，做好短吊索更换技术经验总结，优化长吊索更换方案，并实施长吊索更换工作。同时在更换过程中对换索施工及桥梁结构进行严密的监测和控制。
本文刊载/《大桥养护与运营》杂志年第1期总第9期
作者/熊锋梅波徐硕华
作者单位/虎门大桥大修办公室
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