2009年，江阴大桥迎来第一批吊索的更换，至2021年，已分批完成50多根吊索的更换施工。
2017年6月30日，重庆李家沱长江大桥全桥斜拉索更换项目开工，2018年4月20日工程结束，该桥全部196根拉索均成功“以旧换新”。
2019年5月，润扬长江大桥悬索桥的换索工程启动，并于同年7月完工，历时两个月。共更换了一个吊点的2根索。
2023年4月，芜湖长江大桥的拉索更换主体工作顺利结束，病害相对集中的长、中、短3根旧索均被新索取代。
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随着一批大跨径桥梁进入维养期，作为大桥重要受力构件的索，由于受损严重等原因，需要进行更换。在何种状态下，桥梁的拉索或吊索必须加以更换？换索方案的选择通常考虑哪些方面？如何保证大桥的这台“外科手术”整个过程的安全？带着这些问题，《大桥养护与运营》杂志的记者，采访了几位参与大桥换索工程的专家。
换索实为无奈之举
对于大跨径缆索承重桥梁而言，索结构在其受力中扮演了关键的角色，自然成为日常检查中重点关注的对象。随着使用年限的增加，桥索不可避免地受到病害的侵蚀。安徽交控道路养护有限公司总工程师张立奎表示，他们运用中医“望闻问切、四诊合参、辨证论治”的理念及方法，及时发现病害，消除安全隐患。“望：即在日常巡检中查看索体结构外观，观测索体防护材料是否出现损伤？连接部位是否密封(如吊索钢套筒与锚杯是否脱开)？是否有锈水流出的痕迹，设置观察窗查看钢丝有无断丝或锈蚀情况；闻：在经常检查中听闻索体处是否有异常响动；问：在定期检查中，检查索力和桥面线型与基准状态的变化；切：在特殊检查中，采用声发射方法等手段检测内部断丝情况，评估索体健康状况。”他进一步做出说明。
记者在采访中了解到，近年来，交通运输部出台了《公路缆索结构体系桥梁养护技术规范》，对索结构的检测部位、频率、内容及方法作出了较为详细的规定，具有较强的指导作用。若能严格做好日常检查、经常性检查、定期检查和专项检查工作，通常能够及时发现索体的异常情况，很大程度上可以避免严重病害出现。除了借助常规的外观检查、索力及振动监测或检测手段发现问题外，江苏润扬大桥发展有限责任公司*党**委副书记孙海东认为，可再针对重点部位，利用超声检测、超声衍射检测、电磁感应检测等开展进一步的专项检测，必要时实施拆解检查，排查出索体中较为严重的病害。他还建议，在大桥运营到一定期限(如设计使用年限的20%、30%、50%)后，应对索结构工作状况进行一次排查、评估，及时消除隐性病害。此外，中铁桥隧技术有限公司副总工程师付一小强调对拉（吊）索防护体系的检查不容忽视。他说：“检查应包括了解索体外PE护套或缠包带的破损、断裂状况；预埋套管内的防水措施以及锚头油脂的防护等，从而可以发现哪些拉（吊）索可能存在一定的病害。”
柳州欧维姆机械股份有限公司技术总顾问龙跃与拉索打了多年交道，在他看来，腐蚀是影响拉索安全与寿命最主要的因素。桥梁拉索的腐蚀通常为典型的电化学腐蚀，与水有密切的关系。他指出，在对拉索检测时，一定要关注水患问题，尤其需要查验拉索下端（梁端）是否被水侵蚀，并结合拉索的防腐性能，初步判断拉索的腐蚀程度。如有必要，再对其进一步检测，为换索的决策提供科学依据。“拉索的管养存在较大问题。大部分桥梁养护单位专业能力不足，并缺乏有效的管理措施。根据我的调查，不少大桥的拉索几乎未得到养护，其病害无法及时得到发现及修复，最终会酿成事故。”谈到拉索的现状，龙跃显得有些忧虑。
图1 拉索下端锚头锈蚀
毋庸讳言，拉索的安全与寿命是索体系桥梁的首要问题，当其出现较为严重的病害时，对它采取的任何处置，均应建立在科学评估的基础上。中交第二公路勘察设计研究院有限公司检测加固公司总工程师高洪波认为，索结构本身属于可更换构件，新建设计时就应考虑更换工况，并尽可能提供便利的换索条件。因此，在保证结构安全的前提下，换索是一项正常的桥梁养护对策。而按照部分专家的观点，大桥换索是一项系统性的工程，涉及设计、检测评估、施工、产品、运管等一系列的技术问题，还要顾及社会影响、成本等多项因素，必须谨慎处之。龙跃告诉记者，从力学角度及拉索性能上看，目前所用的拉索，理论寿命可达100年，如果对拉索能正常使用并正常维护，有望让其达到使用寿命。他在调研中发现，国内的大跨桥梁拉(吊)索几乎都带有病害,但通过科学养护，使桥索亦能保持良好状态，能较健康地服役多年。而盲目的换索，不仅浪费各类资源，也会给大桥造成一定的风险，绝非良策。
龙跃坦言, 只有当大桥拉索出现以下某一种情形时, 才必须考虑换索。一是拉索已达到设计使用寿命或评估后的实际使用寿命。二是拉索受力构件被严重腐蚀, 存在断丝或蚀坑。三是出现严重的结构性病害。四是拉索受到意外损伤或病害已无法修复。五是结合桥梁的大修可规划拉索升级换代。安徽交控的张立奎则结合他本人的经验, 给出了几项量化的指标：当销接式平行钢丝束吊索钢护筒与锚杯间脱开间隙超过8mm；断丝表面锈蚀，断丝数量超过索体钢丝总数的2%；或钢材剩余疲劳寿命已不及设计值的70%。当满足其中任何一种场景，可作为换索时机。
图2 爬索机器人检查斜拉索
在工程实践中，由于索的类型不同，换索时机的选择亦会有所差异。付一小指出，对于悬索桥的吊索和吊杆拱桥的吊杆，由于在吊索（杆）更换过程中可以采用兜吊系统加以临时锚固，相对而言，换索施工过程中对于其他索的受力变化影响较小。而由于斜拉索梁端与塔端的锚固体系复杂，受空间及施工措施的影响，通常在斜拉索更换过程中很少选用临时锚固拉索方式，因此它会对其他索的受力变化产生较大影响。故而有病害的斜拉索的更换应当适度提前，若拖到其技术状况较差时再换，可能会增大换索过程中的措施难度，也会给其他拉索造成较大的安全风险。此外，可以挑选几根病害较为典型的拉（吊）索先期开展试验性更换工作。对更换下来的旧拉（吊）索开展相应的力学性能试验，诸如破断力、疲劳性能、强度等，根据旧拉（吊）索的力学性能再进一步论证是否需要进行全桥换索。
如何确定方案与工期
大跨桥梁通常位于交通干线，维修或改造的工程势必对行人及车辆造成较大影响，换索工期的确定显得尤为重要。在孙海东看来，工期主要取决于更换索的数量、所采用的工期及施工条件的限制，应当尽量缩短桥面作业及交通管制的时间。重庆城投路桥管理有限公司的工程师蒲登科向记者介绍，李家沱长江大桥的全桥换索施工，为期将近10个月，该项目工期确定主要根据斜拉桥的特点，结合长索、短索的单索更换工序和时间控制，再进一步优化中长索的更换时序安排，合理规划供索周期和运输线路，科学组织场内施工安排。“在条件允许的情况下，尽量通过限载、限货、限距等技术手段不中断桥面交通，最大限度保障换索期间干线交通和周边居民的出行需求。”他中肯地说。江苏扬子江高速通道管理有限公司总经理助理孙洪滨特别提出，除了常规的换索外，如遇到应急抢险，应该在最短的时间内调集资源，排除险情，保障桥梁结构及通行安全，然后再实施索的更换，在这种特殊环境下，索的更换工期则要结合现场情况合理拟定。
图3 公铁大桥更换拉索
从对大桥的索开展前期检查、调研，到作出换索决策并开始立项，到完成新索的安装，需要经过一个漫长的阶段。按照龙跃的归纳，桥梁的检测、评估原则上需要30-60天左右；委托设计则用180-200天；施工期的长度，包括拉索生产的时间，一般超过180天，不同规模的桥及不同结构的拉索可能要达到8个月以上。而作为换索项目中的重要环节，设计方案的制定应该尽量周全细致。高洪波表示，换索设计的首要原则是确保更换过程中桥梁的结构安全，不能因为换索致使结构出现不可逆的开裂或变形。其次是根据不同的桥型，模拟换索过程计算分析，按对结构的受力影响最小为原则，合理确定更换顺序。
图4 吊索装置的阻尼器
在制定换索方案时，涉及的因素较多，按照中铁桥隧付一小的描述，通常需要考虑下述三个方面。首先，换索过程中难免会对结构受力产生一定的影响，如何控制在更换过程中的结构受力风险是更换方案需要侧重的主要因素之一，其中包括对于拉索索力的重分布状况、主梁线形的变化情况、主塔偏位、主梁应力情况。其次，拉(吊)索更换对交通通行的影响。由于换索工期相对较长，因此换索方案必须设法降低施工对交通的影响。对于公路桥而言，通常应考虑是全桥封闭更换、半幅封闭更换，还是占用车道更换。而对于铁路桥和公铁两用桥，还应关注更换过程中对于轨形区的影响，是否需要轨道列车限速通行。其三，换索对更换工期的影响，拉(吊)索在更换过程中，在应对结构和交通影响的前提下，需要进一步研究按何种顺序更换才能缩短工期。在为润扬大桥的吊索更换选择施工方案时，孙海东与他的团队，在保证结构安全与施工安全的基础上，研讨方案的可行性，包括如何配备完善的施工监控方案，如何合理地控制换索成本并策划应急预案。值得一提的是，他们对关键结构的拆卸与安装进行周密的规划，确保施工过程顺利。蒲登科还向记者展示了李家沱大桥的换索方案，该桥分上、下游分幅更换斜拉索，下游侧更换完成后进行桥面转场，随后再实施上游侧换索。
图5 悬索桥长吊索更换
创新克难 监控确保安全
按照换索方案，开展桥索的更换施工过程中，在技术方面会遇到一些挑战。而养护单位通过工艺创新，使问题得以迎刃而解。“江阴大桥吊索更换最大的技术难点是吊索上下均为销接不可张拉结构，主梁吊索锚固结构附近仅预留一个吊装孔用于换吊索，而无法通过张拉待更换吊索的方式实现索力卸载更换。”孙洪滨回忆起当时的情形，针对上述困难，他们研发出“单吊点”“三吊点”“五吊点”等几种吊索无应力更换工艺，还通过在张拉台座上根据旧索准确长度精确调整新索长度的控制工艺，使更换前后吊索受力状态保持一致。
图6 “三吊点”吊索更换示意图
在张立奎看来，在吊索更换方案中，索长匹配、工装研发、施工监控都是需要攻克的主要技术难点。他们通过马鞍山长江大桥的换索工程，首创一种悬索桥吊索更换工装，将两根反力梁分别设于依次设置的待更换索股、相邻索股和临时索股两侧，临时索头的顶部分别在两根反力梁的正下方安装两个顶推千斤顶，待更换的索股的下端连接结构顶部固定有反力架，反力架顶部分别于两根反力梁的正下方安装两个反力千斤顶。依靠这种装置，提升了换索的效率。
据悉，今年上半年，在国内首次公铁两用斜拉桥的拉索更换施工中，遇到了塔内与锚箱内空间狭小、塔外及梁端高空临边作业、邻近索干扰等难题，在施工空间、时间受限的情况下，使旧索拆除、新索挂设面临严峻的考验。为确保整个换索工程安全、顺利、高效实施，有关单位牵头细化分解作业内容，提出一种索间展索及挂设方法，解决了索端锚固施拧困难、小角度工况下新索穿孔纠偏等问题，最终圆满完成芜湖长江公铁大桥拉索的更换任务。
图7 大桥旧吊索夹具拆除
在采访中，多位专家一致认同，拉（吊）索更换施工过程本身并无特别复杂的工艺及流程，主要的难点在于对换索过程中桥梁结构变化的安全控制上。尤其在旧索的拆卸中，稍有不慎，可能酿成大祸。“拉（吊）索索力的卸载过程是风险最大的施工环节。索力卸载后相邻拉（吊）索索力将增大，主梁挠度及主梁应力均会增加，主塔也存在相应的偏位。如何有效监测上述结构变化状况，并将其控制在结构安全范围内才是索的更换过程中最为关键的内容。包括相邻索力增大导致的安全系数降低，主梁下挠应力增大是否会致使结构开裂、杆件屈服以及主塔偏位是否会造成大桥结构整体发生形变等等，都值得探讨。为解决上述问题，应当采用全过程自动监测系统，对拉（吊）索更换过程进行全时段的数据采集与分析，并根据监测过程中对外界环境的影响进行相应的处理。诸如对交通、温度、风对结构的影响予以数据滤波，明确换索本身造成的结构响应，并加以控制”。付一小陈述了他对防范风险的一些见解。与缆索承重桥梁相仿，拱桥也会遇到类似的麻烦。按照高洪波的思路，拱桥的系杆更换存在较大的安全风险，在旧系杆拆卸过程中应根据计算有序张拉或放张临时索。他还提议，施工时最好由第三方提供专业的施工监控服务。除了引入施工监控保驾护航外，孙海东再三强调，在制定换索方案时，必须充分论证施工前、中、后的结构受力安全，还应对交通管制措施及临时施工设施进行专项研讨，排除各类隐患。他们要求参与润扬长江大桥换索工程的人员，严格遵守各类施工规章，落实安全管理责任。并安排专人进行现场安全监督及制定安全预案。
通行少受限 严把质量关
任何一座大桥索的更换施工，必定会对周边的交通产生一定的影响，如何采取合理的限流等措施，亦是对桥梁养护单位管理水平的一次考验。对于交通组织的问题，蒲登科梳理出为李家沱长江大桥定制的5项对策：一是将局部交通组织与区域路网分流相结合，尽量不断道、不改变主流向，保证施工对区域路网整体运行效率影响最小。二是优先保障行人及公交通行。三是通过积极引导，在大桥换索期间确保半幅双向二车道通行。四是大桥全天禁止所有货车通行。五是允许公共交通汽车和大巴车有条件地通行，车辆间距应控制在50米以上。“由于我们的换索方案比较简洁，对桥梁受力影响较小、换索过程较快，施工过程仅占用了应急车道和一条行车道，在保持桥梁双向通行的条件下完成了换索施工。我们按照相关养护施工规定做好局部的交通管制，规范设置隔离设施，并进行相关警示提醒。”谈起润扬长江大桥换索施工的交通组织，孙海东娓娓道来。
作为履行重要职责的新索，其质量与大桥的结构与运维安全休戚相关。结合李家沱长江大桥成功换索的实践，蒲登科总结出6项具体措施，为新索的质量提供切实保障。一是合理设计新索，选择满足安全储备标准的钢丝等级。二是开展对线材生产企业、钢丝加工企业的筛查调研。三是有效组织对钢丝、锚具、PE 颗粒等制索用原材料第三方独立检测。四是派遣驻厂监理严格监督成品索生产过程。五是对同等级钢丝，抽检时应覆盖所有炉号，确保每一炉炉水生产的钢丝均被抽样并受检合格。六是落实成品索运输和使用前各项准备工作。孙洪滨也坦言，新索的设计需要借鉴目前较为先进成熟的产品体系，从钢丝强度、防水结构等方面进行优化升级。新索材料制作及质量控制，应以行业标准及设计指标为准。
多维度的思考
从安全的角度出发，还需要针对换索过程对桥梁结构的影响，开展全面系统的评价。蒲登科阐述了几条基本的评价准则，首先，换索前后主塔、主梁线形基本保持不变；其次，换索过程中关键部位的应力不超过理论计算值；其三，换索过程中更换索的索力与换索前保持一致；其四，科学应用索力监测成果，优化索力调整空间，尽量不进行二次调索；最后，换索后桥梁既有裂缝未有快速发展迹象，无新裂缝产生。“换索后应对桥梁开展全面的检测及荷载试验，重点检测桥梁线形、索力、桥塔位移、主要控制截面应力变化情况等”。高洪波又针对换索后的评价工作，加以补充。孙海东则表示，作为桥梁维修改造的一种形式，索的更换也应秉承“修旧如旧”的原则，尽量减少对大桥原有运营状态的干扰，缩短持力时间。
图8 吊索索力监测
在目前养护资金比较有限的背景下，对于桥索的更换而言，成本的控制也是一项重要任务。按照高洪波的论点，大桥主体结构的设计使用年限均为100年，而参照国内的相关规范，索的寿命仅为20年，尽管良好的维护可以延长索的使用寿命，但在桥梁的全寿命周期内还将会迎来多次换索。大桥的拉索数量众多，每根索的病害状况各异。换索应首先考虑技术因素，根据检测评估结果判定单根索是否需要更换，再评估对社会经济、交通安全等各方面的影响，当单次更换根数达到一定比例时，全部更换的综合效应更佳。
作为一项综合性强的工程项目，在索的更换的过程管理中，仍存在一些薄弱环节，有待改善。对此，专家们提出一些中肯的意见。孙洪滨坚信，在拉索、桥梁结构的检测方面仍有提升空间，特别是针对短索的检测。他建议在桥梁设计阶段就进行换索工艺研究，预留换索临时结构，包括塔顶起重系统、锚固区预留张拉孔洞等。而在龙跃眼中，专业化施工为目前工程中最大的短板，亦为换索施工的质量带来不少隐患。结合润扬大桥试换索的经验，孙海东倾囊而出，诚恳地与大家分享他个人的几点体会与观点：一是要充分考虑温度影响，索体、临时索夹等构件的尺寸务求精确，并要选择合理的施工时机。二是充分考虑施工监测与施工的配合，对于可能发生的极端情况要提前做好各种针对性预案。三是若采用通车条件下的更换方案，要充分估计车辆荷载对于施工的影响。四是考虑到吊索运输过程必须进行卷盘，因此在上桥后应进行就地预拉。五是要对旧索及附属配件进行充分检测研究。六是施工临时构件和设施可以保留，以备以后更换需要。
图9 换索施工现场
在国内桥梁换索持续升温的背景下，龙跃保持了较为清醒的头脑。他呼吁业界对拉索的寿命与安全性，形成正确的认识，能够理性地对待索的更换，谨慎地作出决策。由此可见，换索只能治标，而提高索的质量，对拉（吊）索精心呵护，及时处置病害，才能固本。在索的全寿命周期内，最大限度地减少换索的次数，从成本及桥梁安全的角度而言，应是较为明智的选择。
本文刊载 / 《大桥养护与运营》杂志 2023年 第2期 总第22期