鋼管混凝土系桿拱橋吊桿更換預(yù)案研究

韋春陸

（南京市市政設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，江蘇 南京210008）

0 引言

吊桿是鋼管混凝土系桿拱橋的主要受力構(gòu)件，在其使用年限內(nèi)，對其養(yǎng)護的好壞直接決定著橋梁的耐久性和安全性能。吊桿在使用年限內(nèi)突然斷裂失效或達到使用年限時進行更換，對橋梁結(jié)構(gòu)在安全和營運方面所產(chǎn)生的影響，是人們在進行此類橋梁養(yǎng)護過程中所必須面對的難題之一，國內(nèi)也出現(xiàn)了不少此類橋梁因吊桿受力失效而倒塌的事故。此前，位于常州境內(nèi)的232省道運村運河大橋西半幅因汽車超載而造成橋梁吊桿斷裂失效而直接導(dǎo)致橋梁整體結(jié)構(gòu)的突然坍塌；四川省宜賓長江大橋因橋梁結(jié)構(gòu)病害而使吊桿失效倒塌。

目前，國內(nèi)尚未出臺關(guān)于該類橋梁完整的設(shè)計規(guī)范，更無成熟的使用和養(yǎng)護經(jīng)驗可供借鑒。如何對這些已建橋梁進行規(guī)范化管理、及時進行吊桿的檢查、養(yǎng)護維修及更換工作，最大限度地延長橋梁的使用壽命已成為人們必須面臨的新課題。因此，有必要對鋼管混凝土系桿拱橋吊桿養(yǎng)護、更換技術(shù)進行研究，以便有計劃地改善此類橋梁結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀態(tài)，確保橋梁的安全運營，最大限度地延長橋梁的使用壽命，提高其社會經(jīng)濟效益。

在國外，特別是英美等西方發(fā)達國家，橋梁的養(yǎng)護、健康檢測和修補加固在橋梁領(lǐng)域占主導(dǎo)地位，他們投入了大量的人力物力對橋梁的養(yǎng)護和健康檢測進行研究，業(yè)已形成較完善的橋梁養(yǎng)護制度。特別是大型橋梁，由于其重要地位和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)受力形式，根據(jù)環(huán)境條件和結(jié)構(gòu)特點，對每座橋梁都建立了專門的技術(shù)檔案，養(yǎng)護制度和健康檢測體系，以科學(xué)的方法準確地把握橋梁的工作狀態(tài)，對可能出現(xiàn)的隱患及時地預(yù)報和評估，及早采取適當(dāng)?shù)拇胧┍苊鈽蛄旱膰乐負p害，延長橋梁的使用壽命，以確保橋梁的安全運營。

1 工程背景

南京棲霞大橋（見圖1、圖2）位于緯一路上，主橋上部結(jié)構(gòu)為三跨下承式系桿拱橋。計算跨徑中跨為86.5 m，邊跨為76.5 m，矢跨比為1/4.5，拱軸線形式為二次拋物線。拱肋為鋼管混凝土，斷面形式為圓端扁形鋼管，上部結(jié)構(gòu)為剛性拱剛性梁，橫向為兩道拱肋，單索面吊桿形式。橋梁吊桿采用φ5高強鋼絲組成的平行鋼絲索配鐓頭錨，中跨單側(cè)拱肋設(shè)置10對吊桿，邊跨單側(cè)設(shè)置9對吊桿。

棲霞大橋使用至今已逾十載，橋梁現(xiàn)狀病害也較為嚴重，按公路橋梁養(yǎng)護規(guī)范，該橋梁已達到D類橋[1]狀況。在進行橋梁消險改造過程中，因鋼管系桿拱主橋主要受力構(gòu)件——吊桿未達到更換要求而未進行換索施工。但吊桿下錨處在運營期間，已出現(xiàn)不同程度的銹蝕現(xiàn)象，橋梁吊桿斷裂的可能危害仍然存在。

2 預(yù)案研究

2.1 研究目的及方式

該橋在多年運營后，耐久性有較大降低，橋梁在運營階段多種因素作用下吊桿存在突然斷裂的可能性，因此該橋存在一定的安全隱患。

為分析主拱肋吊桿在后期使用過程中出現(xiàn)突然性的斷裂破壞或吊桿達到使用年限后對其進行更換時，對橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、營運及受力情況所造成的影響，進行更換吊桿的應(yīng)急預(yù)案研究工作，以便橋梁在吊桿出現(xiàn)不同破壞狀況時及時應(yīng)對處置，減小由其帶來的社會負面影響和損失。

2.2 研究內(nèi)容

（1）針對單根吊桿或兩根吊桿突然斷裂情形，分析橋梁的內(nèi)力和變形狀態(tài)，評估斷裂事故發(fā)生后橋梁結(jié)構(gòu)的安全性。

（2）進行吊桿更換的預(yù)案研究，結(jié)合橋位與結(jié)構(gòu)的特點，提出單根和多根吊桿更換方案，以及全橋吊桿的更換方案。

2.3 研究方法

為達到上述研究目的，采取模擬吊桿斷裂工況的仿真分析方法，步驟如下：

（1）采用剛性支承連續(xù)梁法[2]理論，計算得到合理成橋吊桿索力；

（2）采用空間桿系有限元程序建立全橋模型，分析橋梁受力狀態(tài)；

（3）針對中跨和邊跨，分別計算單根吊桿斷裂和兩根吊桿斷裂情況下的橋梁內(nèi)力、應(yīng)力及變形，并評價對結(jié)構(gòu)安全性帶來的影響；

（4）提出單根吊桿和多根吊桿的更換方案，給出建議性的施工方法與關(guān)鍵措施；

（5）提出全橋吊桿同時更換的方案，給出建議性的施工方法與關(guān)鍵措施。

3 研究結(jié)果

針對橋梁運營情況及現(xiàn)狀交通狀況進行了結(jié)構(gòu)空間的仿真模擬和計算分析，對全橋吊桿在單根斷裂、兩根斷裂的情況下橋梁的安全性進行評估與判斷。該橋邊跨與中跨吊桿布置見圖3、圖4所示。

3.1 吊桿斷裂狀況評價

（1）吊桿內(nèi)力變化：在橋梁養(yǎng)護情況較好、無其他損傷的情況下，若單根或兩根吊桿發(fā)生斷裂，同側(cè)吊桿的拉力變化值大于對邊吊桿的拉力變化值，相鄰的兩根吊桿的拉力增大值在20%～60%之間，吊桿最大拉應(yīng)力將遠低于抗拉強度設(shè)計值，吊桿內(nèi)力變化能滿足承載力要求，不會引起其他吊桿的連鎖斷裂，也不至于影響整體橋梁結(jié)構(gòu)的安全性。吊桿斷裂時吊桿內(nèi)力變化如表1、表2所列。

表1 單根吊桿斷裂同側(cè)吊桿內(nèi)力變化值一覽表

表2 兩根吊桿斷裂同側(cè)吊桿內(nèi)力變化值一覽表

（2）系梁內(nèi)力變化：對于中跨，若發(fā)生單根吊桿斷裂，最不利情況是4號或8號吊桿發(fā)生斷裂，系梁下緣將出現(xiàn)1 MPa左右拉應(yīng)力；對于邊跨，若單根吊桿斷裂，最不利情況是第7號或第9號吊桿斷裂，系梁下緣將出現(xiàn)1 MPa左右拉應(yīng)力。結(jié)構(gòu)均尚未達到開裂破壞狀況。

而兩根吊桿斷裂時，對于中跨若5號和6號或9號和10號吊桿同時斷裂，系梁下緣將出現(xiàn)3 MPa左右拉應(yīng)力。對于邊跨若5號和6號或9號和10號吊桿同時斷裂，系梁下緣將出現(xiàn)3 MPa左右拉應(yīng)力。雖然不會引起其他吊桿的斷裂，但是會引起吊桿斷裂處相應(yīng)的系梁下緣開裂。

（3）端橫梁內(nèi)力變化：若單根吊桿或雙根吊桿斷裂，端橫梁的彎矩變化值均大于中橫梁的彎矩變化值，最大值分別為172 kN·m和499 kN·m，占恒荷載作用下最大彎矩的1.11%和3.2%。

（4）位移變化：若單根吊桿斷裂，在各斷裂工況下，全橋豎向位移小于3 cm，縱向位移小于2 cm，橫向位移小于1 cm。雙根吊桿斷裂時，在各斷裂工況下，全橋豎向位移小于4 cm，縱向位移小于2 cm，橫向位移小于1 cm。可見單根吊桿斷裂或兩根吊桿斷裂對全橋變形影響不大。

（5）對比單根吊桿斷裂和兩根吊桿斷裂的分析結(jié)果，可知兩根吊桿斷裂后的結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力狀態(tài)變化值大于單根吊桿斷裂后的整體內(nèi)力變化值。

3.2 吊桿斷裂引起的橋梁耐久性評估

通過研究表明，吊桿斷裂時橋梁不會出現(xiàn)連鎖現(xiàn)象，橋梁整體性較好，主要受力構(gòu)件不出現(xiàn)損壞。但是，若出現(xiàn)兩根相鄰吊桿同時斷裂時，系梁構(gòu)件會出現(xiàn)3 MPa左右的拉應(yīng)力，可能會出現(xiàn)局部開裂現(xiàn)象及既有裂縫的展開，從而降低了系梁混凝土構(gòu)件的耐久性與安全性能。因此，應(yīng)對現(xiàn)有橋梁系梁構(gòu)件進行裂縫的調(diào)查與修復(fù)處理，提高橋梁的耐久性與安全性。

4 吊桿更換方案

在吊桿更換的具體方法上，一般需要將被更換吊桿的力轉(zhuǎn)移到臨時受力構(gòu)件上，拆掉舊吊桿，安裝新吊桿，再把臨時構(gòu)件上的力轉(zhuǎn)移到新吊桿上來，更換的過程經(jīng)過兩次體系轉(zhuǎn)換，即索力由舊吊桿向臨時構(gòu)件上轉(zhuǎn)移，再由臨時構(gòu)件上向新吊桿上轉(zhuǎn)移，并最終完成吊桿的更換[3]。不同的臨時構(gòu)件需根據(jù)地形地貌和結(jié)構(gòu)特點的形式因地制宜地選取。

針對該橋?qū)崨r，建議對單根吊桿更換選用拱肋兜吊法和臨時桁架兜吊法，對多根吊桿和全橋吊桿更換時采用臨時托架更換法。

4.1 拱肋兜吊法

拱肋兜吊法（見圖5）是采用鋼絲繩將橫梁或縱梁直接兜吊在主拱上，然后分批卸除吊桿索力，每次對吊桿索力卸除后要對臨時兜吊系統(tǒng)進行適當(dāng)?shù)难a拉，以平衡吊桿索力的減少。吊桿索力卸除至零后拆除舊吊桿，然后安裝新吊桿并進行張拉，直至張拉到目標值。

4.2 臨時桁架兜吊法

臨時桁架兜吊法（見圖6）是采用鋼絲繩將橫梁或縱梁兜吊在橋面上搭設(shè)的鋼桁架，然后分批卸除吊桿索力，每次對吊桿索力卸除后要對臨時兜吊系統(tǒng)進行適當(dāng)?shù)难a拉，以平衡吊桿索力的減少。吊桿索力卸除至零后拆除舊吊桿，然后安裝新吊桿并進行張拉，直至張拉到目標值。

4.3 臨時支架法

臨時支架法（見圖7）是在被更換吊桿下吊點的橫梁或縱梁下設(shè)置臨時支架，在吊桿卸載后，臨時支架將代替被更換吊桿支撐住橫梁或縱梁，以防止此處橋面過大變形，確保吊桿更換過程中橋梁的安全。該法吊桿更換時引起各吊桿處的橋面垂直位移、拱肋垂直位移的變化很微小，而更換吊桿附近的幾個吊桿的索力變化則相對大一些。

5 結(jié)語

（1）對剛性拱剛性梁的系桿拱橋，不易出現(xiàn)吊桿斷裂的連鎖現(xiàn)象，橋梁安全度較高。

（2）系桿拱橋應(yīng)定期進行吊桿的維護，重點是對吊桿下封錨的錨具與鋼絲銹蝕檢查與防腐處治[4]。

[1]CJJ 99-2003，城市橋梁養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范[S].

[2]葉建龍，孫建淵，席廣恒.梁拱組合橋柔性吊桿張拉力的確定及分析[J].東北公路，2002，23（1）：44～47.

[3]羅向榮.某系桿拱橋新增吊桿替代舊吊桿技術(shù)研究[J].貴州大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，29（3）：116-118.

[4]陳業(yè)平.鋼管混凝土系桿拱橋質(zhì)量控制與養(yǎng)護管理[J].現(xiàn)代交通技術(shù)，2010，7（3）：61-63.