荷塘西江大橋下承式體外系桿拱橋吊桿更換設計

袁霖宇

（廣東省交通規劃設計研究院股份有限公司）

0 引言

吊桿是系桿拱橋的重要結構之一，吊桿的安全性、耐久性和適應性關系到橋梁結構的安全與正常使用。吊桿使用年限一般不超過15 年，而我國早期系桿拱橋設計對吊桿的可更換性考慮不足，在吊桿上下錨頭及預埋管內填充水泥漿。同時受技術條件限制，防腐水平較低，導致吊桿表面腐蝕嚴重。為確保橋梁的安全正常運營，系桿拱橋的吊桿應定期檢查和更換。

1 工程概況

江門市荷塘西江大橋位于江門市蓬江區荷塘鎮境內，該橋于1999 年8 月建成通車。主橋為跨越西江的一座3×110m 下承式體外系桿拱橋。拱的推力由兩端錨固在橋墩上的系桿承受，自平衡體系，主拱拱肋頂段采用單箱單室結構，兩拱腳處由單肋分叉為雙肢拱肋，拱肋嵌入橋墩，形成無鉸拱。主橋下部為空心矩形墩，鉆孔灌注樁基礎。橋面鋪裝共設置一層8cm 厚的鋼筋混凝土，橋面橫坡為雙向1.5%。設計荷載為汽-20 級、掛-100。

全橋共42 對84 根吊桿。吊桿原設計采用高強鋼絲束，外層由鍍鋅鋼管作為保護層，內層鋼絞線之間灌有40 號水泥漿，吊桿的防護鋼筋分段設置，并用外接頭連接起來。

經檢測后得知，全橋大多數吊桿存在油漆脫落銹蝕現象；吊桿鋼管連接器多處銹蝕、損壞、脫空，導致鋼絞線外露；共13 處吊桿上錨頭與拱肋下緣結合處，出現混凝土破損、露筋銹脹開裂；部分吊桿下錨頭出現混凝土封錨不密實、下錨頭銹蝕的情況。鑒于拱橋使用年限已超過15 年，且吊桿病害問題較為嚴重，加固過程中考慮更換全部吊桿及錨頭，同時解決吊桿耐疲勞、可檢可修可換的問題。

2 建模計算分析

為了評價荷塘西江拱橋的吊桿受力狀態，從以下兩個方面對該橋進行檢算：

情況1：原結構復算，即全部構件采用原結構尺寸、材料強度，驗算吊桿部位在原設計荷載下（汽車-20 級，掛車-100）是否滿足原設計規范（《公路橋涵設計通用規范》（JTJ 021-89）、《公路鋼筋混凝土橋涵設計規范》（JTJ023-85））的要求。

情況2：考慮損傷折減后的計算，即根據《公路橋梁承載能力檢測評定規則》（JTG/T J21—2011），考慮橋梁現狀各構件的損傷，采取引入橋梁檢算系數、承載能力惡化系數、截面折減系數和活載修正系數對橋梁承載力進行評定。驗算吊桿部位在原設計荷載下是否滿足原設計規范的要求。

利用midas-civil 橋梁有限元軟件進行算分析。全橋采用3D 空間桿系模型，考慮邊跨對中跨的受力影響，建立40m+（3×110）m+50m 五跨模型。車行道T 梁、人行道縱梁、人行道板按實際重量加載，欄桿、橋面鋪裝作為二期恒載加載。

計算模型如圖1 所示。

原吊桿截面設計為110 根強度為1600MPa 的φs5高強鋼絲，吊桿截面面積為2160mm2。計算結果如表1 所示。

圖1 全橋3D 空間桿系模型

表1 原結構吊桿計算結果匯總（考慮折舊損傷）

計算結果顯示，原設計及考慮折舊損傷后，吊桿應力安全系數均大于2.5，滿足原設計規范要求。原設計及考慮折舊損傷疲勞應力幅也滿足原規范設計要求，但考慮損傷后，應力幅增大，疲勞壽命降低。

3 吊桿更換設計

3.1 設計原則

⑴更換吊桿時必須保證橋梁的結構安全，并盡量不損壞橋梁其它部位。更換吊桿后橋梁的總體性能不會降低，適當提高吊索強度安全系數，滿足原設計要求和今后的運營要求；

⑵新吊桿應進行改進設計，加強吊索防腐蝕構造，避免重復同類型病害，并且應可以方便地再次更換；

⑶方案應有較好的經濟性，便于實施，具有良好的可控制性和可操作性。

3.2 吊桿選擇

考慮到拱肋、橫梁的預留孔較小，新吊桿選用錨頭結構尺寸較小的GJ 鋼絞線整束擠壓吊桿體系。新吊桿具備下述特點：

⑴采用兩端整束擠壓錨固鋼絞線，具有錨固安全可靠、張拉調索方便的特點；

⑵錨頭結構緊湊，外徑小，其錨頭尺寸比冷鑄錨小30%以上，適合本項目拱肋、橫梁預留孔較小的特點。

⑶鋼絞線在索體內隔離防腐，離腐蝕性能優越，抗振性能好，疲勞性能好。對于本橋結構體系而言，可保證結構耐久性。

最終新吊桿考慮適當提高吊索強度安全系數，選用1860 級GJ15－15 鋼絞線整束擠壓吊桿（如圖2 所示），單根吊桿破斷力需大于3900kN。原結構橫梁內埋有鋼套管，套管外徑為150mm，GJ15－15 鋼絞線吊桿端頭直徑為140mm，剛好尺寸適應。

經計算分析，新吊桿應力安全系數達到3.42 以上。

圖2 1860 級GJ15－15 鋼絞線立面圖

表2 更換后吊桿計算結果匯總

圖3 吊桿更換兜吊系統示意圖

4 施工工藝

4.1 施工方案選擇

本次加固設計更換全部吊桿，由于本橋整體拱肋剛度較弱，全橋無縱梁結構，車行道板支撐于橫梁上，橫梁吊于左右兩吊桿間，故吊桿更換宜采用兜吊系統進行更換。

兜吊系統是吊桿更換時舊吊桿拆除后承受橋面荷載的受力機構，也是舊吊桿拆除過程中將舊吊桿索力轉移至臨時吊桿，及新吊桿安裝過程中將臨時吊桿力轉換到新吊桿的體系轉換機構, 轉換過程中臨時吊桿張拉千斤頂與吊桿張拉千斤頂配合使用。

結合本項目特點，兜掉系統由拱上平臺、抗滑索、上托梁、下托梁和臨時吊桿構成。

4.2 施工工序

圖4 吊桿更換施工工藝流程圖

吊桿更換施工工序為：施工準備→兜吊系統安裝→舊吊桿拆除→新吊桿安裝→新吊桿張拉→新吊桿防護。更換施工從跨中往兩端的順序進行。

吊桿更換施工的關鍵之一就是對吊桿力的控制，為了確保吊桿更換達到預期目標，更換過程中由專業監控單位在更換全橋吊桿之前、更換完成之后以及調索完成之后三個時間點，用高精度專業儀器對橋面系標高及全橋吊桿索力進行監測，以實現對施工過程的實時監控。以吊桿力控制為主，橋面線型控制為輔。

5 結語

由于原設計因舊規范和理念存在一定局限性，原吊桿的可更換性和耐久性較差，導致吊桿更換因舊預埋套管限值吊桿直徑，GJ 鋼絞線整束擠壓吊桿能很好適應此種狀況，不僅提高吊桿安全儲備和防腐性能，還方便后期調索及更換。

按照本文的設計方案和施工流程，該橋已于2017年9 月順利完成吊桿更換。更換后吊桿受力狀態良好，橋面線型滿足設計要求，可為同類橋型吊桿更換和同類型臨時兜吊系統的設計、施工提供借鑒。