某大跨度鋼管混凝土拱橋的吊桿更換

廖剛初,唐咸遠

(1.柳州市市政設施維護管理處,廣西 柳州 545006;2.廣西工學院土木建筑工程系,廣西 柳州 545006)

鋼管混凝土拱橋為一種梁拱組合體系橋。因其造型美觀、造價低廉、施工方便而倍受人們喜愛。這種體系橋最致命的弱點是其橫梁直接吊掛在吊桿上,而吊桿多又采用預應力鋼絲或鋼絞線,依靠鋼絲或鋼絞線的預應力來抵抗荷載作用。一座橋中哪怕只有少數鋼絲斷裂都可能造成災難性的后果。早期鋼管混凝土拱橋限于當時的拉索技術工藝水平,其吊桿端部一般只是采用現場灌注水泥砂漿防護鋼絲(鋼絞線 ),造成該處(特別是下端 )鋼絲銹蝕非常嚴重,往往10年左右就不得不考慮更換吊桿。本文以某城市鋼管混凝土拱橋為例,介紹了吊桿狀況檢測、更換吊桿的設計與施工方法。

1 工程概況

某城市鋼管混凝土拱橋于 1995年建成通車,是一座主跨為三孔凈跨 108m鋼管混凝土拱結構的城市橋梁(圖 1)。由于鋼管混凝土拱橋在當時是一種較新的橋型結構,且橋的設計、建造年代較早,因而在某些細部的設計理念、施工工藝、工程材料選取上均存在一定局限性。

圖1 橋跨布置

2 吊桿檢測

為了保證橋梁的正常運營,該橋已經運行了 8年后,在2001年四川宜賓小南門橋事故后全國開展吊桿拱橋檢查的背景下,市政設施維護管理處 2002年委托某工程公司進行專項檢測。檢測的內容主要有:詳細檢查三根吊桿的鋼絲索、錨頭;檢測全橋吊桿索力;計算全橋的模態。

在詳細檢查三根吊桿的鋼絲索、錨頭的情況后發現:吊桿上端錨頭錨杯內外均由混凝土充填飽滿,鋼絲鐓頭部分無銹蝕;在梁下端錨頭附近梁體表面均有長期滲水痕跡,錨頭下方有水滴出,打開錨頭蓋板,均有積水流出,錨杯內鋼絲滴水,錨頭部分銹蝕嚴重,鋼絲鐓頭部分有銹蝕;吊桿的PE管均有環向裂縫,吊桿鋼絲銹蝕較嚴重,蜂窩銹坑較普遍。為保證橋梁的結構安全和正常使用,必須對全橋的墩頭錨吊桿進行更換并加固橋梁。

3 吊桿更換的設計

2006年 7月開始對該橋進行加固設計工作。主要的設計內容有:人行道更換及伸縮縫的更換;吊桿橫梁的加固;吊桿的更換、結構補強。下面重點介紹更換吊桿的設計。

3.1 新更換的鋼絞線成品吊桿設計要求

3.1.1 絞線吊桿的設計要求

吊桿預應力鋼絞線采用符合(GB/T 5224-2003)標準的高強低松弛鋼絞線s15.2,其標準抗拉強度 fpk=1860MPa;單根鋼絞線應滿足 200萬次 837～ 477MPa應力幅疲勞荷載后不斷絲的要求;成品吊桿應滿足《斜拉橋熱擠聚乙烯高強鋼絲拉索技術條件》(GB/T 18365-2001)各項指標。

3.1.2 絞線吊桿錨具的設計要求

鋼絞線成品吊桿所采用的錨具應滿足《預應力筋用錨具、夾具和連接器》(GB/T 14370-2004)I類錨具要求,但應注意疲勞實驗應力幅要求提高至 200 MPa;錨固工藝應保證在動載下有可靠的防止松動、滑移的性能;錨具本身以及錨具與索體接頭部分應有可靠的防腐措施。

3.1.3 鋼絞線吊桿HDPE防護層的設計要求

吊桿 HDPE護套的顏色采用白色,其物理性能及其他各項指標應符合(GB/T 18365-2001)及《建筑纜索用高密度聚乙烯塑料》(CJ/T 3078-1998)的要求。

3.2 新更換的吊桿系統其它設計要點

(1)設計采用吊桿兩端均設球鉸錨頭,以減少吊桿系統擺動約束,增大體系固有頻率;與此配合,要求吊桿上下減震體應采用容許有限彈性變形的材料,既要保證足夠強度以隔絕吊桿跟外套鋼管又要保證吊桿可稍微整體變形;

(2)設計在最短吊桿及相鄰吊桿以及最長吊桿錨下預置6組壓力傳感器,便于長期監測索力并比較索力分配情況;

(3)設計將吊梁內預埋鋼管向上延伸至橋面以上 1m以便于防水,并采用局部封閉吊桿處吊梁頂段人行道下空室的方式以進一步利于防水;

(4)要求在每根吊桿的吊梁預埋鋼管伸出橋面處增設專門的防水罩。

3.3 更換吊桿的選擇

由于橋梁原設計中采用的吊桿為 5-127絲平行鋼絲墩頭錨吊桿,該吊桿的錨頭較小,原設計中的預埋管內孔直徑僅為 158mm,且由于在最初施工中各種施工設備及施工經驗有欠成熟,導致上下預埋管之間的同軸度偏差比較大。綜合考慮各種因素后,該橋的設計采用 OVM.GJ15-19鋼絞線整束擠壓吊桿作為新吊桿。該型吊桿在滿足施工簡潔方便的前提下,還增加了安全系數,且作為一種新型的全隔離防腐吊桿,避免了平行鋼絲吊桿中的腐蝕擴散性,具有良好的抗腐蝕效果。該型吊桿可以通過上限 0.45σb,應力幅為250MPa的疲勞試驗。其錨頭外徑為 140mm,對于新橋施工可使預埋管尺寸減小,對于舊橋換吊桿施工更能充分保證吊桿的索力滿足設計要求。

4 吊桿更換施工

更換吊桿采用拱頂提升平臺張拉千斤頂抬升橫梁的方案,整個施工過程包括舊吊桿拆除、新吊桿安裝、張拉調索、防護處理等四個工序。各工序的具體步驟及注意事項如下。

4.1 舊吊桿的拆除

(1)吊桿的拆除依據對稱的原則,從每拱跨兩端向跨中交替逐對拆除,每拆除一對舊吊桿,則相應的換上一對新吊桿。從北邊第一個拱開始,每個拱吊桿施工順序 2#※ 8#※3#※7#※ 6#※ 5#※ 1#※ 9#(如圖 2)。拆除一根舊索立即換上新吊桿。在拆除吊桿的過程中,應時刻監測橋面的標高,如出現較大的變動應立即停工,待查明原因并確定處理方案后方可繼續施工。

圖2 吊桿布置

(2)在橋面下橫梁的吊桿處組裝工作平臺,安裝好輔助索提升系統中的梁底托架。在組裝過程中要注意保持兩側平衡,防止橫梁產生傾斜。

(3)在拱肋上安裝吊梁提升系統。提升系統由精軋螺紋鋼緊固摩擦錨固系統 +輔助索提升系統組成。錨固及提升系統組成構件的安裝、焊接要牢固,以避免在張拉輔助索時系統有過大的變形、滑移、傾斜。系統拼裝完畢后應按設計噸位進行試張拉。輔助索張拉千斤頂可視更換吊桿的實際施工空間設置在拱頂或橋面處。

(4)輔助索用工具夾片臨時錨固并進行單根預緊。為了保證安全,施工單位要經過充分驗算吊梁提升系統。

(5)用千斤頂對輔助索進行整體張拉。張拉時要求對上下游輔助索同時同步進行張拉。本階段應綜合實測舊吊桿拉力、吊點的高程變化等參數,實時對設計張拉拉力進行調整。張拉輔助索應分級緩慢進行,要求實時監測橫梁吊點處標高,其上下變化值與相鄰跨吊點的高程變動差不超過 ±1 cm。設計給出僅在結構自重工況下計算的吊桿力設計值,該值僅供換索時確定張拉力以及換索后成橋各索力調整時參考,換索時應注意綜合實際機具及支架的重量并結合實測索力及標高進行調整。

(6)輔助索達到設計拉力后,用切割機在橋面處割斷部分舊吊桿鋼絲,觀測橋面標高變化,在確認兜吊系統承擔后割斷橫梁頂面的舊吊桿。

(7)拆除橫梁底錨具。通過拱肋工作平臺吊住舊吊桿,割斷吊桿上端,將上部吊桿錨具拆除。

(8)清理拱肋上的錨腔以及橫梁端部的錨槽。

4.2 新吊桿的安裝

(1)用鋼尺現場量出吊桿上下錨點的距離,綜合考慮設計采用錨具體系的不同要求以及拱肋內斜高的區別,精確計算出各根吊桿實際所需的下料長度。

(2)按實際所需長度對吊桿進行下料并安裝錨杯,將新吊桿運至橋面攤開平放。注意對外PE護套以及錨頭螺牙的保護。注意吊桿的長度應測量準確,切割平整。

(3)吊裝新吊桿由拱肋下方向上穿入孔道中,吊桿穿出后繼續上提,直到方便采用卷揚機或手葫蘆將下部吊桿紐件從橫梁上方穿入橫梁孔道內為止。吊桿穿孔完成后先進行上端錨具安裝,上端固定后旋緊下端錨具螺帽。

4.3 張拉調索

(1)依次安裝好聯接套、張拉桿、撐腳、千斤頂,進行張拉預緊。

(2)初張拉吊桿至 30MPa后卸壓,放松兜吊系統至不受力狀態。張放過程注意上下游吊桿同時同步,在張拉過程中對吊桿索力及標高進行雙控,要求橋面標高上下位移不得超過設計允許范圍(±1 cm)。放松兜吊系統后實測橫梁標高。

(3)根據計算的調整標高值對吊桿再次張拉,將橫梁調整到設計標高。

(4)每跨全部吊桿更換完畢后,要根據聯測數據確定是否進行吊桿索力調整。調整時按 1/2、1/4、1/8的程序進行,而且 4點同步。為了減少調整步驟和次數,在全橋調整之前應準確測量出該工況下的索力和標高值,以正確指導下一階段調索的程序和步驟。

(5)新吊桿張拉加載速度一般應小于10MPa/min,直至張拉到設計要求停止,然后擰緊螺帽。

在張拉過程中,讀數測量要準確,記錄要全面,真實無誤。

(6)由于所有 l#、9#短吊桿上下預埋管之間的同軸度偏差比較嚴重,且拱底至橋面之間的凈空很小 ,外露的自由部分最小的只有約 50 cm長,加上人行道 (車行道)距該索處的拱弦頂的距離比較短,不足以采用滑車 +手拉葫蘆的兜吊系統施工更換舊吊桿,最終采用了增加扁擔梁的方式進行兜吊及體系應力轉換,抽取鋼絲、鉆孔的施工與其他吊桿相似,終于順利的完成了全部舊吊桿的更換。

4.4 防護處理

新吊桿張拉調節完成后,拆除臨時兜吊系統,安裝防水裝置開始對吊桿進行防護處理:安裝吊桿上下端保護罩;向吊桿錨杯及上下端保護罩內灌防腐油脂。

5 小結

在對橋吊桿的更換施工過程中,2#～8#吊桿進行得比較順利,l#及 9#吊桿由于上、下預埋管的同軸度偏差較大,且拱底與橋面的凈空很小,在清理預埋管內混凝土及梁的兜吊上存在一定的施工難度,經過各方的團結努力,按期順利完成了全部吊桿的更換施工。更換后的新吊桿索體外徑為 102 mm,比舊吊桿索體外徑 79mm略大,增強了吊桿與橋拱的整體協調性,使橋梁看起來更加美觀大方。

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