那莫右江特大橋吊桿更換施工技術

羅 意

(廣西路橋工程集團有限公司，廣西 南寧 530011)

0 引言

近年來，我國的城市橋梁建設中出現了大量的鋼管拱橋，其吊桿設計的年限為13～18年，橋梁投入運營使用后，隨著時間的推移，大量的鋼管拱橋梁吊桿達到了設計壽命，為了橋梁的安全運行需要對該類橋梁吊桿進行更換。在橋梁運行的同時進行吊桿的更換，其安全性以及施工的快捷性對社會會產生很大的影響，所以很有必要對吊桿更換施工技術進行研究，以便掌握吊桿更換施工施工關鍵技術。

1 工程概況

那莫右江特大橋位于南寧市壇洛鎮，廣昆高速(石埠北立交至壇洛段)G80線K592+363處，為中承式鋼管混凝土桁架拱橋，全橋長349 m，于2001年11月開工，2003年12月通車運營。2016年，管理單位組織對其吊桿病害進行詳細調查，發現吊桿存在73處漏油、37處防護罩短缺、7處銜接不密實、2處涂裝層剝落、1處

聚乙烯護層老化等缺陷。

主拱兩側27組吊桿，全橋共54根吊桿，間距5.1 m。原橋吊桿型號為LZM7-85共54根，吊桿索體采用1 670 MPa級85根φ7 mm高強鍍鋅鋼絲纏包后熱擠雙層HDPE，索體外徑φ91 mm，破斷力5 463 kN，兩端采用冷鑄錨頭結構。錨固方式為拱肋上(拱面)為固定端，混凝土吊桿橫梁下端(橋底)為張拉調節端。現更換為φ15.2 mm單絲環氧噴涂無粘結鋼絞線強度1 860 MPa扭絞纏包后整束擠壓成品索吊桿，1#(1′#)、2#(2′#)吊桿型號為GJ15AB-27共8根 ，其余吊桿型號GJ15AB-25共46根，索徑勻為φ126 mm，破斷力分別為6 510 kN、7 030.8 kN。

2 兜吊系統設計

(1)那莫大橋所在線路為南寧往百色方向唯一高速通道，設計要求不能損傷橋梁結構。因此，吊桿更換工作的工具吊桿系統只能圍繞主拱圈及其下部空間進行布置。工具吊桿設計的最大難點在于吊桿頂部錨固系統的設置，根據以往拱橋吊桿更換施工的經驗，有拱上鉆孔法、拱上繞繩法、拱頂滑移小車法及拱上焊接法等錨固方法。考慮到本橋拱頂寬度小，拱頂滑移小車結構穩定性差、安全控制困難；拱上焊接法兜吊系統較為復雜，要在橋面設置一道轉換體系，本方案為完全中斷交通施工，但要求在最短時間內完成全橋維修加固工作；施工工期緊張，設備的轉運效率和安全性是保證工期的重中之重，盡量減少大型設備在橋面的運用，提高工作效率。鑒于那莫大橋吊桿更換施工的特殊性，采用拱上繞繩法，兜吊系統簡單、穩定性高、轉移速度快，在平臺上可人工搬移，大型設備使用率低；經方案比選，拱上繞繩法較為適合那莫大橋吊桿更換工程施工需求，因此，最終選擇拱上繞繩法作為那莫大橋吊桿更換工程兜吊系統的方案。

(2)根據等效替換的原則，那莫大橋吊桿更換兜吊系統的工具吊桿應具有≥2.5的安全系數，即兜吊系統的臨時吊桿最大應能承受375 t的荷載。

本橋吊桿最大動載為1 445 kN，主橋吊桿橫梁兩段各設計一兜吊系統，每兜吊系統有兩兜吊橫梁，每一橫梁上兩端各采用6φ15.2 mm鋼絞線兜吊，鋼絞線上方用鋼絲繩與鋼絞絲對接裝置轉換后采用2根φ60 mm固定于拱肋完成，鋼絲繩公稱強度為1 770 MPa，型號為6×37S+IWR(見圖1)。

圖1 兜吊系統設計平面圖

3 兜吊系統驗算

3.1 鋼絞線計算

本橋吊桿最大動載為1 445 kN，每組鋼絞線分擔的荷載為1 445/4=361.3 kN，乘上不均衡系數，承受最大荷載的鋼絞線荷載約為90.3×1.2=108.4 kN。

每組鋼絞線為6根，其總面積為140×6=840 mm2。

鋼絞線應力σ=361.3×1 000÷840=430.1 MPa

鋼絞線的控制應力[σ]=1 395 MPa

鋼絞線的安全系數K1=σ/[σ]=3.2>2，滿足要求。

3.2 鋼絲繩驗算

本橋每個臨時兜吊拱肋上的承重體系用2根φ60 mm鋼芯鋼絲繩固定于拱肋上完成，鋼絲繩強度為1 770 MPa，型號為6×37S+IWR，每根φ60 mm鋼芯鋼絲繩最小破斷力為2 270 kN，本橋吊桿最大動載為1 445 kN，每根鋼絲繩的承載荷載為361.25 kN/cos11°=368 kN，安全系數為2 270/368=6.16，滿足規范使用要求。

3.3 兜吊橫梁(扁擔梁)驗算

每根吊桿梁底設置兩條兜吊橫梁，該橫梁由兩根I40型鋼焊接制作，其外形尺寸長×寬×高為1.8 m×0.4 m×0.292 m，主要材料為槽鋼、10 mm及20 mm鋼板焊接而成(見下頁圖2和表1)。

表1 兜吊橫梁(扁擔梁)驗算表

注：1.此表計算的荷載是考慮單根吊桿全部荷載由一根扁擔梁承受，以滿足即使一根鋼絲繩斷裂，仍然安全

圖2 兜吊橫梁(扁擔梁)驗算模型圖

3.4 止滑裝置焊縫計算

拱肋面上焊接鋼板作為防滑裝置，采用弧形板加勁肋形式，采用貼角焊焊接在拱肋上，單邊焊縫長度16 mm，焊縫高度6 cm(見圖3～5和表2)。

3.5 吊桿鋼絞線伸長量計算

(1)舊索最長吊桿鋼絞線伸長量，舊索最長吊桿為14#吊桿，吊桿長度為26.392 m。采用85φ7 mm平行鋼絲冷鑄墩頭錨，Ep=195 000 (MPa)，截面積c=3 271(mm2)，吊桿力1 336.3 kN。

(2)舊索最大吊桿力為2#吊桿，吊桿力1 445 kN，吊桿長度9.708 m，采用85φ7 mm平行鋼絲冷鑄墩頭錨，Ep=195 000 (MPa)，截面積Ac=3 271(mm2)。

圖3 止滑裝置設計示意圖

圖4 抗滑移計算簡圖

圖5 加勁肋構造圖(單位：mm)表2 止滑裝置焊縫驗算表

鋼絲繩豎向力F(kN)最大上弦水平夾角θ°θ弧度夾角正弦值sinθ下滑分力F1(kN)抗滑移塊數量n1(個)焊縫容許剪應力[τ](MPa)加勁板焊縫條數n2焊縫長度L0(mm)焊縫厚度t(mm)計算長度L0-2t(mm)焊縫抗剪面積A(mm2)角焊縫剪應力τ(MPa)焊縫強度是否滿足要求1 50031.030.541 575 6670.515 486 816773.22145616061485 32872.56滿足

注：此結構偏安全地不考慮弧形擋板焊縫的貢獻，只計算加勁肋焊縫的作用

3.6 變角裝置

拱肋正下方兩側防撞墻的內空與拱肋等寬，在拱肋橫截面上2根鋼絲繩間安裝一個變角裝置，把2根鋼絲繩固定在2個φ200 mm的滑輪間，間距1.2 m。為了避免通過橋面板的預應力束與橋面板由于干涉而產生的夾角及所產生的分力對橋面的影響、預應力筋與橋面板摩擦造成預應力筋破損降低了其安全性等，故特設了變角裝置來修正垂度得以錯開防撞墻。

變角裝置受力分析：臨時兜吊中的每根臨時吊桿受力為吊桿最大動載力為1 445 kN的四分之一，約為361 kN；鋼絲繩在底拱肋下的長度3 m，與豎直方向夾角為11度，水平分力即361 kN/sin11°=70.2 kN；邊角裝置橫向聯系為2 cm×20 cm寬鋼板，水平橫向產生的拉應力為：70 200/(0.2×0.02)=17.55 MPa，遠小于Q235鋼材的允許拉應力145 MPa，該結構是安全的(見圖6)。

圖6 變角裝置設計圖

3.7 鋼絲繩與鋼絞絲對接裝置

每個對接裝置由1個連接叉耳，1個錨固套、6個擠壓錨組成。其中叉耳是鋼絲繩轉換成鋼絞絲的對接構件，在鋼絲繩鋁壓頭一端穿過叉耳用插銷與叉耳連接。把下好料的鋼絞線的一端與擠壓套用擠壓機擠壓錨固后裝進錨固套，鋼絞線錨固套與叉耳是螺栓形式連接，鋼絲繩轉換鋼絞絲完成。叉耳由專業廠家(OVM)指定生產(要求在生產后進行破壞性試驗，試驗合格后方可使用)，長×寬×高尺寸為(140×140×240) mm，強度1 760 kN，高于6根鋼絞線破斷力1 560 kN。

3.8 錨具

針對本工程，施工過程需要反復張拉、放張等工況，采用工具錨及工具夾片帶防松裝置。

4 操作平臺設計

4.1 拱上施工平臺

拱橋換吊桿施工，拱頂施工內容較多，需要搭設拱上施工平臺。拱頂施工的主要內容為舊吊桿上錨頭的拆除、新吊桿的安裝及工具吊桿拱上焊接錨固系統的安裝。由于主拱上下弦桿間綴板頂面為平面，可供人行走，因此搭設拱上施工平臺主要考慮相關施工機具的搬運通道及必要的施工操作平臺之用。

拱上施工平臺搭設的主要材料為φ48×3.5 mm鋼管和竹跳板，全橋下弦桿通長搭設，施工平臺通過固定于下弦管上的懸臂鋼管鎖定在主拱上下弦管上，通道及施工平臺采用竹跳板滿鋪。上弦桿施工通道利用原來的檢修道。主拱圈防腐平臺采用2根φ16 mm鋼絲繩作為主要承重結構，φ16 mm鋼絲繩兩端用手拉葫蘆張拉固定于拱肋下弦桿上；中間用12鋼絲繩增加吊點與鋼管連接作為輔助承重結構，承重鋼絲繩上的竹跳板用鐵絲綁扎固定，在支架的上部兩側采用安全繩作為扶手。為保證斜腹桿區域噴涂作業，考慮增設通過固定于下弦管上的懸臂鋼管鎖定在主拱下弦管上施工平臺，通道及施工平臺采用竹跳板滿鋪，平臺布置圖見圖7。

(a)拱上平臺示意圖

(b)支架示意圖圖7 拱上支架布置示意圖

4.2 橋下操作平臺

吊桿下端的操作平臺，采用可移動吊籃作施工平臺，吊籃平臺寬2.0 m，長4.07 m，采用(50×50×5) mm矩形鋼，接頭采用高強螺栓連接組拼；掛籃設置配重確保受力平衡，在橋面安裝滑輪，使得掛籃可以沿橋向移動，固定時要拉好纜風繩；本次施工共加工4個掛籃，如圖8所示。

圖8 橋下操作平臺示意圖

5 操作平臺驗算

(1)按施工人員6人同時進入平臺操作，平均體重為75 kg，總重為450 kg；

(2)100 t千斤頂4個，每個重50 kg，總重為200 kg；

(3)橫梁托架重：1.8×2×65.6×2+1.2×2×57.7=610.8 kg；

(4)4個張拉支撐腳，每個重30 kg，總重為120 kg；

(5)舊吊桿下端頭，估算200 kg。

荷載總計為：450+200+610.8+120+200=1 580.8 kg。考慮安全系數1.5，施加在平臺上總體荷載為2 371.2 kg。

建立模型計算得出結果如圖9所示：

從計算結果可以看出，均在規范允許范圍內，結構是安全的。

(a)水平向位移為2.42 cm

(b)豎向位移為2.38 cm

(c)最大軸應力為37.2 MPa

(d)最大剪應力為27.8 MPa

(e)最大彎矩為96.7 MPa圖9 操作平臺各種工況驗算圖

6 吊桿更換施工及效果

6.1 工藝流程(圖10)

圖10 吊桿更換工藝流程圖

6.2 施工準備

6.2.1 交通管制

施工期間全橋封閉，主線通行車輛從上、下行附近收費站繞行。

6.2.2 測量橋面標高

分別在白天及夜間進行橋面標高測量，掌握橋面標高與溫度變化的關系曲線，為后期施工提供高低溫標高控制參數。

6.3 安裝兜吊系統

在拱肋對應吊桿處間距約1.5 m上下兩側各安裝兩φ50 mm鋼絲繩，安裝方法：

(1)把鋼絲繩一端(含連接螺栓端)穿過另一端的壓頭圓圈箍住上下拱肋，并調節長度讓活動端順著鋼管臂下垂，順橋向每側兩根。

(2)在拱肋面上焊接止滑裝置，把四根鋼絲繩固定在拱肋上。

(3)在橫截面的兩根鋼絲繩安裝變角裝置，把兩根鋼絲繩固定在其銷軸內。

(4)把帶擠壓錨的鋼絞線穿進錨固套，并與鋼絲繩上的連接螺栓連接。

(5)鋼絞線穿過橋面板φ100 mm工藝孔。1#、1′#吊桿為鋼絲繩直接下穿橋面，工藝孔直徑應根據鋼絲繩鋁壓頭大小擴大至可直接下穿鋼絲繩。

(6)梁底安裝兜吊橫梁、錨具，在同一兜吊橫梁上用兩臺YDQ25Q-150前卡頂單根預緊，預緊力宜小約5～10 kN。

(7)錨具安裝防松裝置，然后在每個錨具上安裝撐腳、200 t穿心式千斤頂，工具錨，4個千斤頂緩慢同步張拉至原舊桿的拉力轉換到臨時兜吊系統上，過程中測量標高來控制。

6.4 臨時兜吊系統試吊試驗

臨時兜吊系統首次使用應進行24 h靜載試驗，試驗驗證結構安全行、行走可行性、承載能力、控制的有效性，經加載試驗合格后方可正式使用。試驗方案為在全橋吊桿力最大的2#吊桿進行，兜吊系統在2#吊桿安裝就位后，進行張拉，張拉至最大吊桿力(此時原吊桿不拆)，使兜吊系統完全受力，靜置24 h。

6.5 舊吊桿拆除施工

舊吊桿拆除順序由跨中向拱腳兩端對稱進行。

6.5.1 臨時兜吊系統同步均衡張拉

(1)安裝輔助索(鋼絞線)用工具夾片臨時錨固并進行單根預緊。

(2)對鋼絞線輔助索進行張拉，張拉時要求同時同步。

(3)在鋼絞線輔助索進行張拉的同時，要求橋面標高上下位移不能超過設計要求的誤差范圍。體系轉換分級設置為10%、25%、40%、55%、70%、85%、100%。分級對長吊桿及短吊桿進行設置，對變化小的可調整為25%、55%、85%、100%。

6.5.2 拆除舊吊桿

拆除舊吊桿可考慮兩種方式進行索力放張。方式一若原吊桿錨頭及吊桿未使用剛性材料填充防腐且可滿足張拉條件的，采用專用連接裝置和千斤頂分級放張；方式二若原吊桿不能滿足張拉條件的，采用橋面砂輪機手工切割分級放張(優先選用千斤頂分級放張)。

(1)在橋面處使用砂輪機手工按比例切割舊吊桿鋼絲，同時測量觀測橋面標高變化，嚴禁橋面標高超出設計允許范圍。

(2)將舊吊桿從兩頭拔除，清除預埋管內殘余雜物，必要時使用電錘。將預埋管內的毛刺打平，并采取除銹刷漆處理。

6.6 新吊桿安裝及張拉調索

吊桿安裝前應先沿橋面展開，檢查吊桿在制作及運輸過程中是否損傷；同時釋放吊桿卷盤時產生的應力。通過專用牽引頭與吊桿上錨頭連接，用卷揚機起吊，將上錨頭吊至拱肋底后，將錨頭與拱肋伸出的鋼絲繩連接，拱肋內用葫蘆繼續牽引，直到上錨頭露出墊板，套上球形支座，擰上螺母。

(1)新吊桿也采用分級張拉，對橋面及拱肋標高要進行實時測量監測；

(2)新吊桿逐級張拉時，相應對臨時兜吊系統進行同步均衡放張，新吊桿張拉到位后，臨時兜吊也同時放張至零；

(3)新吊桿張拉時對索力及標高進行雙控。

6.7 施工效果

本次那莫右江特大橋吊桿更換施工，臨時兜吊設

計合理，安全可靠，施工便捷，僅僅用了15 d便完成了全橋54根吊桿更換，索力及橋面標高復核均在設計運行范圍內。

7 結語

那莫右江特大橋吊桿更換施工采用拱上繞繩臨時兜吊，方便快捷，實施效果良好。在國內，鋼管混凝土拱橋已經修建了超過300座，調查總結其吊桿病害特點并形成吊桿更換成套施工技術，為其健康運營和繼續發展提供了良好保障、打下了堅實基礎。