淺談系桿拱的吊桿更換設(shè)計與施工

賴永斌，張河錦

（1.中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司寧波分公司，浙江寧波 315040；2.余姚市交通規(guī)劃設(shè)計研究院，浙江 寧波 315040）

1 工程概況

某大橋位于杭甬高速公路余姚連接線，中心樁號為K4+250，跨徑布置為10×20 m+61.8 m+43×20 m+61.8 m+5×20 m，全長為1287.64 m為左右幅分離式橋梁，主橋單幅寬度為1.3 m+11.25 m+1.3 m。該橋主橋跨越最良江和姚江，均為凈跨60 m下承式鋼管混凝土系桿拱橋，拱肋采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，其上共設(shè)三道鋼風(fēng)撐，吊桿采用85φs5的平行鍍鋅高強(qiáng)鋼絲束，間距為4 m，錨頭為DM5A-85墩頭錨。引橋為20 m簡支梁橋。下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。現(xiàn)以單幅單跨60 m系桿拱為例進(jìn)行系桿拱橋吊桿更換設(shè)計與施工的介紹。圖1為拱橋的吊桿編號示意圖。

2 吊桿主要病害

（1）吊桿防護(hù)套筒均存在油漆剝落、橫向接縫開裂等病害，多根吊桿套筒存在碰撞痕跡。

（2）吊桿不銹鋼管定位鋼圈銹蝕嚴(yán)重，不銹鋼管內(nèi)積水。

（3）橋面防水罩接縫不嚴(yán)，鋼保護(hù)罩與防護(hù)橡膠接觸的部分已經(jīng)銹蝕，導(dǎo)管內(nèi)積水。

（4）吊桿下錨頭檢查，跨最良江主橋及跨姚江主橋部分錨頭出現(xiàn)封閉板銹蝕、錨箱頂面和側(cè)面銹蝕、黃油變質(zhì)、錨杯蓋缺失、基準(zhǔn)孔內(nèi)存水等病害 。

（5）吊桿內(nèi)鋼絲抽檢的結(jié)果顯示，鋼絲均已發(fā)生不同程度的銹蝕，部分較為嚴(yán)重。

根據(jù)檢測顯示該橋主要受力構(gòu)件均處于正常工作狀態(tài)下，但是由于吊桿防護(hù)的破損導(dǎo)致了吊桿鋼絲發(fā)生了較為嚴(yán)重的銹蝕，且該橋已經(jīng)運(yùn)營了近10 a，已經(jīng)進(jìn)入了吊桿更換期，為了確保大橋的運(yùn)營安全，對橋梁吊桿進(jìn)行更換。

3 系桿拱的計算復(fù)核

對橋梁進(jìn)行建模計算，建模采用《橋梁博士3.2》。采用平面桿系單元建立了系桿、吊桿及拱肋單元，通過模擬各個施工階段。最后了解各主要受力構(gòu)件的強(qiáng)度或應(yīng)力情況，表1～表3為主要計算結(jié)果的摘錄。

表1 拱肋正應(yīng)力計算一覽表

表2 系桿正應(yīng)力計算一覽表

表3 吊桿索力計算（僅出示一半吊桿，另一半與之對稱）一覽表

從以上主要計算結(jié)果可知，拱肋、系桿、吊桿的受力均能符合相關(guān)規(guī)范的要求。

4 吊桿更換方案的設(shè)計

4.1 新吊桿的選擇

腐蝕是造成吊桿破損失效的最重要原因之一，吊桿的防腐蝕一直是吊桿類拱橋設(shè)計、使用過程中應(yīng)重點關(guān)注的問題。吊桿鋼絲銹蝕是造成該橋吊桿更換的主要原因，因此，新更換吊桿宜選用具有良好防腐蝕性能的吊桿。同時受原結(jié)構(gòu)吊桿構(gòu)造限制，新更換吊桿應(yīng)采用能通過原有索體導(dǎo)管的構(gòu)造形式，以減少結(jié)構(gòu)改造工程量。

根據(jù)吊桿最不利組合內(nèi)力，按3倍安全系數(shù)計，吊桿索力為2262 kN，小于原有PES5-85吊桿破斷力2528 kN，因此吊桿鋼索選擇以不小于原有吊桿破斷力為原則，新吊桿材料采用OVMGJ15-12鋼絞線整束擠壓拉索，索體采用抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk=1860 MPa12根Фs15.2環(huán)氧噴涂鋼絞線無粘結(jié)筋纏包后熱擠HDPE，破斷索力為3125 kN，安全系數(shù)為4.2，錨具采用配套的擠壓吊桿錨具。鋼絞線抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk=1860 MPa，斷后伸長率A≥2.7%，錨具效率系數(shù)ηa≥95%。為保證吊桿質(zhì)量，新更換吊桿在工廠加工制作，到現(xiàn)場直接安裝。

4.2 吊桿更換方案的選擇

吊桿的更換驗算主要考慮隨機(jī)拆除某根吊桿時，對拱肋、系桿及其余吊桿的內(nèi)力和應(yīng)力的影響，隨機(jī)拆除某根吊桿，橋梁其余構(gòu)件是否處于安全工作的狀態(tài)。吊桿更換驗算決定了吊桿更換的設(shè)計方案，是該項工程的關(guān)鍵節(jié)點。吊桿更換驗算分別對1#-7#吊桿分別拆除時的工況進(jìn)行計算，并根據(jù)計算結(jié)果進(jìn)行對比分析，尤其是關(guān)注拆除N吊桿時，N吊桿鄰近吊桿和N號吊桿處拱肋、系桿的內(nèi)力變化情況。表4列出拆除吊桿時吊桿內(nèi)力的變化情況。

表4 吊桿更換模擬計算一覽表（單位：kN）

從表4可以看出，該橋吊桿拆除時，部分節(jié)點特別是拆除節(jié)點，以及相鄰節(jié)點的內(nèi)力變化遠(yuǎn)大于成橋狀態(tài)恒載作用下的內(nèi)力，部分節(jié)點接近甚至大于其成橋階段承載能力極限狀態(tài)下的最不利組合內(nèi)力，考慮到更換吊桿時橋梁的結(jié)構(gòu)安全，綜合橋梁的實際情況，該項設(shè)計采用設(shè)置臨時吊桿的方法進(jìn)行吊桿更換。

4.3 吊桿更換施工

為保證換索過程中拱肋和橫梁的受力均衡，吊桿更換順序為：橫橋向兩側(cè)對稱進(jìn)行；順橋向由兩端向中間對稱進(jìn)行，逐根更換。

整個施工過程主要有以下幾個階段：施工準(zhǔn)備→新吊桿長度確定、定購→臨時吊桿體系的安裝及張拉（吊桿力的轉(zhuǎn)移）→舊吊桿的拆除、新吊桿的安裝、張拉→臨時吊桿體系的拆除→安裝防水罩等后續(xù)工作。

4.4 吊桿索力的調(diào)整

在吊桿更換的過程中，由于結(jié)構(gòu)尺寸、材料彈性模量、索力張拉誤差，以及更換過程中吊桿之間的互相耦合影響，使吊桿索力和橋梁線形與設(shè)計值之間不可能完全相符。在吊桿更換完成之后，要再次測量吊桿的索力和橋面標(biāo)高，如果索力或橋面標(biāo)高與目標(biāo)值存在的差距比較大，可能會對今后橋梁的運(yùn)營產(chǎn)生安全隱患，必須對吊桿索力進(jìn)行再次調(diào)整，使吊桿索力達(dá)到設(shè)計索力，確保橋梁結(jié)構(gòu)的線形和內(nèi)力處于最佳狀態(tài)。

換索后通過索力調(diào)整線形，其索力如表5所列。

5 結(jié)語

（1）采用臨時吊桿作為更換方案時，可采用分次張拉臨時吊桿，逐步卸載舊吊桿，并分次割斷吊桿鋼絲的方法進(jìn)行，在割斷吊桿鋼絲時注意人身安全。

表5 成橋狀態(tài)索力分布表（單位：kN）

（2）在對吊桿索力測試時，可采用頻率法進(jìn)行吊桿索力的測試，但是應(yīng)注意吊桿長度L與吊桿兩端的邊界條件形式的選擇。一般建議采用錨墊板之間的長度扣除錨杯剛域長度作為吊桿長度，此時取兩端邊界為鉸接形式，此時可以獲得較為精確的索力。

（3）對于雙幅橋梁吊桿更換時，若采用臨時吊桿作為兜吊系統(tǒng)，應(yīng)考慮左右幅之間是否有足夠的空間設(shè)置吊桿。

（4）在兜吊系統(tǒng)的方案設(shè)計時應(yīng)考慮對橋下通航凈空的影響。

（5）吊桿更換應(yīng)由有相應(yīng)資質(zhì)和成熟施工經(jīng)驗的施工單位來進(jìn)行施工，并邀請第三方作為監(jiān)控單位全程監(jiān)控，對吊桿更換過程采用索力和橋面標(biāo)高雙控制，二者兼顧，既要保證撓度不允許超過理論計算值，又要保證索力值在設(shè)計范圍內(nèi)。

[1]JTG/T D65-01-2007，公路斜拉橋設(shè)計細(xì)則[S].

[2]CJ 3058-1996，塑料護(hù)套半平行鋼絲拉索[S].

[3]陳寶春.鋼管混凝土拱橋設(shè)計與施工[M].北京：人民交通出版社，2002.

[4]毛亞娜.劉世忠.葉丹.基于頻率法對系桿拱吊桿索力測試的分析[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報，2010.