吊桿在橋梁工程中的應用研究

虞永杰，潘興虎，龔夢琦，周靜波，李登國，盧彭真

(1.舟山市交通工程質量監督局 舟山市 316000；2.浦江縣交通集團投資公司 浦江縣 322200；3.浙江臨金高速公路有限公司 杭州市 310000；4.浙江工業大學 杭州市 310014)

1 引言

吊桿又稱吊索，是系桿拱橋中把橋面系的恒載與活載傳遞到拱肋的關鍵受力構件[1]，也是懸索橋中連接懸索與橋面系的構件[2]。在系桿拱橋中，吊桿及其錨固區是連接橋面板及拱肋的重要構件，橋面板自重及車輛人群荷載通過吊桿傳給拱肋，從而再傳至橋墩等下部結構[3]；在懸索橋中，吊桿的作用是將橋面系的荷載傳遞給懸索，其一般用圓鋼、眼桿或鋼絞線繩制成，上端通過索夾與懸索連接，下端則與加勁梁連接。吊桿作為橋梁中的重要構件，在多種類型的橋梁中得到了廣泛的應用[4]。隨著我國經濟實力不斷提升，橋梁工程也得到快速發展，各式新型橋梁開始出現在實際工程中，吊桿的應用范圍也不斷擴大，同時，對于吊桿結構的缺陷、應用問題和后期養護也受到更多的關注[5-6]。

目前國內的吊桿一般采用柔性吊桿錨固體系或剛性吊桿栓接體系。在應用吊桿結構的橋梁類型中，網狀吊桿拱橋在國外已得到較大推廣，國內則在鐵路橋中應用較多，公路橋在近幾年雖然得到了一定應用但數量較少[7]；國內鋼拱橋的吊桿往往采用冷鑄錨式柔性吊桿，結構上沒有太大的發展，歐洲則已經開始使用全焊鋼吊桿[8]；近幾年，國內成功在斜拉橋和懸索橋中應用了吊桿結構，三江市臺江大橋[9]、廣西桂林麗君橋[10]分別成功將吊桿應用在橫向拱形鋼塔斜拉橋和自錨式懸索橋中。

就吊桿的分類及其特點進行研究，探討了吊桿結構在不同橋型中的應用和所存在的問題，并對吊桿在橋梁工程的應用中所存在的常見問題做了歸納和分析，為橋梁工程中吊桿結構的應用發展提供理論支持，同時提出建議和展望。

2 吊桿的常見分類

吊桿根據力學特點主要分為剛性和柔性吊桿。

(1)剛性吊桿：剛性吊桿主要由鋼筋混凝土或預應力鋼筋混凝土組成，其不僅承受拉力，在端部還受到局部彎矩，為了減小彎矩，往往增加橫橋向截面尺寸從而提高橫向剛度，同時為了減小縱向彎矩，往往在實際設計過程中控制其縱向截面尺寸。剛性吊桿與拱肋和橋面板兩兩固結大大增加了結構的整體剛度和整體穩定性，但是，在外界荷載作用下其變形能力較差，目前已較少采用。

(2)柔性吊桿：系桿拱橋中，柔性吊桿運用較多，索體主要材料為高強鋼絲、鋼絞線、平行鋼絲線等，同斜拉橋的拉索相似，柔性吊桿不僅需要有良好的抗拉能力，而且在外界環境、荷載等作用下，具有低松弛、抗疲勞、耐腐蝕性能，與剛性吊桿不同，柔性吊桿變形能力較大，一般只承受拉力。如今，柔性吊桿一般采用工廠預制的方法，其制作成本低、精度較高、性能良好，在實際工程中得到越來越多的應用。

3 吊桿在拱橋中的應用

3.1 吊桿在系桿拱橋中的應用

系桿拱橋作為拱橋的一種，兼具梁與拱的受力特點，梁與拱通過吊桿相連接，在荷載作用下，結構呈現出梁受彎、拱受壓的組合受力情況，充分發揮了兩者的優點。系桿拱橋按照吊桿的位置可分為豎直吊桿、斜吊桿、網格系桿拱、異型系桿拱。

(1)豎直吊桿體系又稱蘭格爾體系，其一般布置較為均勻，受力清晰，易于控制張拉應力，整體剛度較小。

(2)斜吊桿體系又稱尼爾森體系，主要用于大跨度和重荷載橋梁中，實際中運用較少。

(3)網格系桿拱橋主要特點為斜吊桿與其它吊桿交叉形成網格，較與前兩種，其拱肋和梁所受彎矩較小，整體剛度較大，是一種非常新穎的結構形式，它為進一步提高系桿拱橋的跨徑提供了可能。

(4)異型系桿拱最大特點是豎直吊桿布置在一斜面上，斜向受力，連接橋面板和拱肋。該體系主要適用于大跨度拱橋，同時具有造型優美，結構受力合理等優點。

不同類型系桿拱橋的示意圖如圖1所示。

圖1 系桿拱橋分類

3.2 吊桿在鋼管拱橋中的應用

鋼管拱橋作為鋼-混凝土組合結構中的一種，能夠充分發揮混凝土的抗壓性能和鋼材的抗拉性能。中、下承式鋼管混凝土拱橋橋型優美且輕盈，是近年來橋梁建設中發展較快的橋型。在中、下承式鋼管混凝土拱橋中，吊桿結構屬于重要的受力構件。吊桿上端固定于拱肋，下端固定于梁底。為避免人為因素對吊桿的損壞，吊桿下端往往安裝有鋼護管，管下安裝有減振圈。有推力中承式鋼管混凝土拱橋則通常采用鋼管混凝土拱肋結構形式，并對拱腳區域進行外包混凝土。其吊桿采用鋼筋混凝土或預應力混凝土結構，橋面系的一部分通過吊桿懸掛在拱肋下，另一部分用剛架立柱支承在拱肋上。吊桿結構的應用使有推力中承式鋼管混凝土拱橋構件輕巧、造型美觀、跨越能力強，已成為鋼管混凝土拱橋的主要橋型并在我國得到廣泛應用。

3.3 吊桿在鋼系桿拱橋中的應用

鋼系桿拱具有主梁高度小、重量輕、跨度大等特點，行車道可采用下、中或上承式，適用于大、中跨橋梁結構，工程上常用于跨越道路、河流等。與常規的系桿拱橋不同，全焊鋼系桿拱橋是將鋼吊桿、拱肋和鋼系桿通過節點焊接的方式連接在一起組成承重結構，相對于采用柔性吊桿的系桿拱，具有剛度大、穩定系數大的特點。此外，由于吊桿可采用圓形鋼棒或鋼管等非鈍形截面，且采用焊接工藝，使用圓鋼管吊桿大大降低了吊桿承受的風荷載，減小了渦振效應，而且吊點構造簡單，外形美觀，又節省了吊桿張拉工藝，縮短了施工工期。

4 吊桿在其它類型橋梁中的應用

4.1 吊桿在斜拉橋中的應用

拱塔斜拉橋是近年出現的一種新橋型，該橋型在結構體系等方面有較大創新，技術先進，構造復雜，造型美觀，通過拱、梁、拉索、吊桿的空間幾何結構的組合營造極強的立體感，有很強的地標性。福建省三江市臺江大橋是一座橫向拱形鋼塔斜拉橋，其橋塔為橫向拱狀，在鋼拱塔中部設置水平吊桿,水平吊桿中間連接豎向吊桿,并通過張拉豎吊桿，用水平吊桿產生的張拉力來平衡鋼拱塔的水平推力。在此類拱塔組合結構體系中，豎吊桿的張拉是對鋼拱塔變形和應力的控制、拱形鋼塔結構穩定性、安全性的關鍵,也是整個橋施工過程的重點。分批張拉豎吊桿能夠較好地控制鋼拱塔的應力,并且可以進一步調整豎吊桿的張拉來改善鋼拱塔的受力。豎吊桿的張拉不僅在施工階段控制著鋼拱塔的應力變化及形變，在成橋及運營階段對鋼拱塔的受力也有較大影響。

4.2 吊桿在懸索橋中的應用

懸索橋的吊桿作為傳力構件，其連接著加勁梁和主纜。因此，吊桿的性能與懸索橋的安全運營息息相關。自錨式懸索橋恒載主要由主纜和吊桿承受,通過吊桿傳至主纜,主纜錨固在錨旋橫梁上,鋼桁架加勁梁亦埋入錨碇橫梁內,錨碇橫梁通過板式橡膠支座放置在橋臺上,加勁梁水平力與主纜水平力平衡，因此自錨式懸索橋的錨碇可以設計得很小,既經濟又美觀。自錨式懸索橋中對全橋吊桿進行循環張拉,從而進行吊桿張拉和索力調整，同時頂推塔頂索鞍，當吊桿長度不足時還需采用接長等特殊措施。盡管該方法通過精細化計算和嚴格施工控制可以有效減少吊桿張拉次數,但在實際施工中效果有限,循環張拉往往要4次以上，任務繁重，其結構以及施工人員的安全也存在隱患。通過頂升主梁使其達到預定狀態,吊桿就能夠無應力順利安裝，吊桿安裝落位后再落梁，能夠逐步使吊桿受力完成體系轉換至成橋狀態。長沙市湘江三汊磯橋采用該技術且取得成功,大大減少了張拉次數,為自錨式懸索橋吊桿的安裝取得了良好的實踐經驗。

5 吊桿技術在橋梁工程應用中存在的問題

吊桿在橋梁結構體系中扮演著重要的承重構件作用，其服役過程中的質量問題直接關系到橋梁承載能力問題。事實上，吊桿構件卻是這幾類橋梁結構中耐久性較為薄弱的部分。近年來發生的一些橋梁破壞事故中，有不少為吊桿體系的破壞所導致。吊桿在實際工程中經常會發生護套開裂老化、索體銹蝕和錨固系統病害等問題。現對吊桿使用過程中的主要病害及影響因素進行闡述。

5.1 吊桿防護病害

吊桿護套分為金屬護套和有機護套兩類，金屬護套的主要病害類型包括因環境因素引起的銹蝕及內部水泥砂漿的開裂，有機護套的病害類型主要為因材料老化、外荷載及長期高應力的作用引起的開裂。成因主要有：

(1)索體的應力狀態。系桿拱橋中，吊桿需要承受巨大的拉應力，在拉索工作時，護套也同樣處于高應力狀態。長此以往，分子間的結合能力降低，從而導致護套的開裂，且開裂形狀以環狀為主。

(2)防護材料的收縮效應。灌漿水泥在凝固過程中自身會發生收縮，在施工過程中若未對混凝土進行預壓，砂漿容易開裂；防護材料的收縮同樣是造成有機護套開裂的重要原因。

(3)拉索的松弛和防護材料的變形。索體的長期受拉狀態將導致金屬材料的松弛，從而造成索類構件的變長，其防護材料也因此被拉裂。

(4)交變荷載導致的材料變形。在交變荷載的持續作用下，索體的伸長量不一，不僅會破壞防護材料的整體性，也會導致吊桿與錨固系統連接處出現轉角，進而造成開裂現象。

(5)溫度變化。吊桿的鋼索和防護材料在外界溫度作用下會發生熱脹冷縮，但由于兩者的熱膨脹系數相差較大，溫度作用下的變形不協調，從而發生開裂破壞。

(6)材料的老化。PE護套在外界紫外線和溫度作用下，極易發生老化，工程中雖然摻入抗老化劑，在一定年限后其表面依舊會出現裂紋。

(7)護套表面的劃傷。外層防護特別是有機護套在制作、運輸、安裝等過程中往往會出現劃傷現象，這會進一步導致內部應力分布不均勻，從而導致開裂破壞。

(8)金屬護套在外界雨水、汽車尾氣等作用下，金屬套管表面油漆易發生腐蝕剝落從而造成破壞。

5.2 吊桿索體病害

實際工程中，系桿拱橋吊桿索體腐蝕主要是由護套的開裂失效導致的水汽、氧等物質與索體接觸發生的電化學反應產生的銹蝕作用導致。其中，腐蝕主要分為應力腐蝕和銹蝕作用。從一系列事故看來，吊桿的破壞往往是索體的疲勞和銹蝕共同作用下所引起的。荷載交變性導致的疲勞導致了防護措施的有效性降低，腐蝕又降低了索體的抗拉強度。此外，外界環境和吊桿的應力大小也會對吊桿腐蝕產生影響。

5.3 錨固系統病害

錨固系統的主要病害為錨頭滲水和錨具的銹蝕兩大類。滲水原因主要有：護套開裂破壞，從而雨水進入造成銹蝕破壞；吊桿與橋面的梁端結合部存在著縫隙導致的錨頭進水；索體與錨具相連接出現的裂縫導致漏水。除此之外，當出現未設置保護罩或其密封不牢固等問題，也會導致錨具的銹蝕。錨具的銹蝕可能直接導致整個錨固系統的失效，進而造成吊桿與橋面板的脫離、橋面板損壞、橋梁結構的失效等，甚至出現橋梁垮塌事故。

6 結論

(1)通過對吊桿結構的詳細闡述，包括吊桿的分類、吊桿在不同橋型中的應用，以及吊桿技術在橋梁工程應用中常見的病害以及預防措施，主要在系桿拱橋、鋼管拱橋、鋼系桿拱橋、斜拉橋、懸索橋中的應用，吊桿護套的病害，吊桿設計使用壽命較短等，為吊桿技術在橋梁工程中的應用技術提升提供理論支持。

(2)通過對系桿拱橋、懸索橋等橋型吊桿結構的特點、受力與關鍵技術進行介紹，闡述了其工作機理，證明了如全焊鋼系桿拱橋、自錨式懸索橋在橋梁工程中具有很大的適用性和先進性。因此，對此類橋梁的設計與研究非常重要。

(3)隨著橋梁運營時間的增長，吊桿結構容易出現病害，為保障橋梁的安全運營，需對病害進行準確分析，并在其基礎上采用合理措施進行有效處治。同時，為了提高橋梁的剛度、方便現場施工、增加結構耐久性，仍需研究出更為先進的吊桿施工工藝。