纜索支承式拱橋吊桿更換中索力控制技術分析

李永強

（柳州市市政設施維護管理處，廣西 柳州 545005）

拱橋承載力高、剛度大、跨越能力強，是我國交通系統中較為常見的橋型[1]。吊桿作為中下承式拱橋重要的傳力構件，在環境腐蝕、汽車及人群荷載的反復作用等因素影響下易發生損傷、疲勞和松弛甚至斷裂，故其使用壽命十分有限；因此在橋梁設計使用年限內對吊桿進行更換已成常態[2]。拱橋進行吊桿更換時需借助臨時兜吊來完成體系轉換，施工時先將原吊桿的索力逐級放張轉移到兜吊受力體系上，然后安裝新吊桿，逐級張拉新吊桿并逐步釋放兜吊體系上的力；這一過程中，索力要完成原吊桿—兜吊體系—新吊桿間的轉移，只有采用逐級替換方法才能保證索力的平穩轉換和更換作業時的施工安全。關于拱橋吊桿的更換技術與工藝我國已進行了相關研究。陳思甜等[3]對拱橋吊桿的更換過程進行了仿真分析并制定了相應的施工控制方法；李世忠等[4]進行了中承式拱橋吊桿更換實例研究，確定了更換吊桿施工流程和各步驟相應的控制措施；李正嘉等[5]以某下承式鋼管混凝土系桿拱橋為例，對比分析了等步長與不等步長兩類更換舊吊桿的施工方式，認為不等步長方案更為安全。

已有的研究成果一般圍繞等比例放張方法展開，為尋求更合理安全的索力逐級放張方法，本文以一座跨徑為192 m的中承式鋼管混凝土桁架拱橋為工程背景，通過有限元計算軟件對比等比例放張方法和預載索力值替換方法，分析兩種方法下拱橋吊桿更換時短吊桿和最長吊桿對施工過程中吊桿橫梁、臨時結構應力與變形的影響。

1 工程概況

某中承式鋼管混凝土桁架拱橋為懸鏈線拱軸線，跨徑192 m，矢跨比1/5.016，橋寬12 m（橫橋向布置為0.5 m護欄+凈11 m橋面+0.5 m護欄），橋梁設計荷載為公路-Ⅱ級，設計速度60 km/h。兩桁拱肋采用4根Q345C鋼管（內部填充C50微膨脹混凝土），單桁拱肋為平行四邊形，高2.3 m（上下弦管中心距）、寬1.3 m(左右側弦管中心距)，弦管外徑φ700 mm，拱腳段弦管及拱頂(6.952 m范圍)上弦管壁厚20 mm，其余拱段弦管壁厚14 mm，拱腳8 m段外包混凝土。拱肋為空腹拱，設上下平聯及腹桿，平聯及腹桿均采用空心鋼管，與弦管焊連成整體。主拱肋上共設置了5道橫撐，橫撐為鋼管桁架結構，與拱肋固結。原吊桿為73φ7 mm平行鋼絲吊桿，更換新吊桿采用GJ15-19鋼絞線擠壓吊桿。

目前較為常用的拱橋吊桿更換方案均是先拆除在役吊桿再安裝新吊桿[6]，需要臨時兜吊體系作為更換過程中的臨時受力體系。具體的施工過程：將原吊桿索力逐級放張轉移到兜吊受力體系上，接著安裝新吊桿，最后逐級張拉新吊桿并逐步釋放兜吊體系上的索力，交替完成該過程直至兜吊臨時吊桿完全卸載，新吊桿達到設計索力，整個吊桿更換作業即全部完成。拱橋吊桿更換過程中要經歷兩次體系轉換，轉換過程是更換吊桿的關鍵，不僅關系著索體更換的施工安全，還影響到后期橋梁結構的運營安全；所以逐級放張過程的平穩轉換，盡可能地減小索力波動，避免吊桿更換過程對橋梁結構的影響，是施工質量的關鍵控制指標。

當前，拱橋更換吊桿時較為常用的體系轉換方式為等比例放張方法，根據索力的大小及其對拱橋結構的影響情況，以等效替換為原則，按照張拉和釋放的索力值及索力比例相等的思路進行等比例分級，同時分步完成張拉力值替代釋放索力；多數情況下分級5～7次即可滿足規范對于橋梁橋面線形及梁體應力變化影響的要求[7]。預載索力值替換方法在新舊體系的轉換過程中，張拉或釋放的索力值比上一分步的力值比例更大；即進行預張拉或預釋放，分步之間的力值比例并不同步，而是交錯進行。

2 拱橋吊桿更換索力轉移控制分析

為尋求更合理的放張方法，使體系轉換對拱橋造成的影響最低，正式施工前，利用有限元軟件Midas Civil建立結構的三維計算模型，對比等比例放張方法（方案一）和預加載替換方法（方案二），計算短吊桿和最長吊桿對施工過程中吊桿橫梁、臨時結構應力與變形的影響。

2.1 有限元模型

建立空間有限元計算模型，拱肋、吊桿橫梁、立柱橫梁及立柱均采用空間梁單元，吊桿采用桁架單元，橋面板采用板單元，防撞護欄僅計入重量未考慮剛度。邊界條件：拱腳采用固定約束，吊桿上端與拱肋直接相連，下端采用剛性連接與吊桿橫梁連接，橋面系在伸縮縫處僅約束豎向位移，以保證拱肋外的兩跨結構為簡支體系。

2.2 計算參數及荷載

各構件的計算參數依設計圖紙進行選取，原吊桿采用標準強度為1 670 MPa高強鋼絲、破斷荷載為4 691.5 kN，新吊桿采用1 860 MPa鋼絞線拉索、破斷荷載為4 940 kN。主拱肋、腹桿和綴板、橫聯及拱肋間橫梁交接處均采用Q345鋼，彈性模量2.06×105MPa，重度76.98 kN/m3，泊松比0.3。上下弦桿主管及綴板內腔填充C50混凝土，彈性模量3.45×104MPa，重度25 kN/m3，泊松比0.2。立柱橫梁、吊桿橫梁及橋面空心板分別采用C40、C30混凝土。橋面系采用8 cm厚鋼筋混凝土+8 cm厚瀝青混凝土的結構形式，橋面鋪裝只計重量，不考慮剛度影響，其中鋼筋混凝土重度取25 kN/m3，瀝青混凝土重度取23 kN/m3。

計算荷載包括自重及二期荷載，前者按所用材料重度及構件實際尺寸計算且計入吊桿橫梁錨固塊的重量，后者橋面鋪裝按3.54 kN/m2布置。

2.3 吊桿更換工況模擬

分析0#短吊桿和9#最長吊桿對施工過程中吊桿橫梁、臨時結構應力與變形的影響。見表1和圖1。

圖1 更換吊桿模型

表1 吊桿更換施工體系轉換索力替換方案

2.4 索力轉移控制比較分析

方案一可保證0#吊桿更換前后索力相同且能實現索力平穩過渡；位于同根吊桿橫梁上的X0吊桿索力在651～666 kN，索力略大于設計索力；相鄰右側吊桿S1索力的變幅稍大，最大值與最小值間相差39 kN，最大變幅5.1%。方案二也能保證0#吊桿更換前后的索力均相同且索力過渡更加平穩；與方案一不同的是，位于同根吊桿橫梁上的X0吊桿索力在646～653 kN，略小于設計索力；相鄰右側吊桿S1索力的變幅較方案一小，最大值與最小值間相差23 kN，最大變幅僅3.0%。見表2和表3。

表2 更換方案一更換0#吊桿過程中各吊桿的索力kN

表3 更換方案二更換0#吊桿過程中各吊桿的索力kN

方案一更換9#吊桿后索力略大于更換前，施工過程中索力的過渡較為平穩；但是，由于先進行臨時吊桿張拉，導致臨時吊桿與所更換吊桿索力之和大于原設計值，相鄰吊桿索力減小，更換過程中相鄰吊桿的最小索力為798 kN，與更換前的恒載索力864 kN相比，吊桿更換對相鄰吊桿索力的影響超過7.6%，干擾較大。方案二更換9#吊桿前后索力變化很小且過渡較為平穩；與方案一相比，更換過程中相鄰吊桿的最大和最小索力分別為876、852 kN，與更換前的恒載索力864 kN相比，吊桿更換對相鄰吊桿索力的影響在2%以內，干擾很小。見表4和表5。

表4 方案一更換9#吊桿過程中各吊桿的索力kN

表5 方案二更換9#吊桿過程中各吊桿的索力kN

續表5 kN

2.5 變形比較分析

計算兩種方案下橋面變形。方案一0#吊桿吊點處的橋面位移變化很小，但是9#吊桿吊點處的橋面位移變化很大，當進行第12個工況時，兩處橋面均達到最大上拱，9#吊桿吊點處最大變形更是超過8 mm，較不安全；方案二各工況下橋面變形總體呈交替升降變化趨勢且最大變形不超過2 mm，有利于橋面板等結構的安全。見圖2。

圖2 更換吊桿過程中橋面的變形

3 結語

采用等比例放張方法更換吊桿時索力的最大變化將超過7.6%且橋面最大變形達到8.78 mm；而采用預載索力值替換方法進行吊桿更換時索力最大變化＜2%，橋面最大變形僅為1.60 mm，預載索力值替換方法有利于吊桿更換時索力平穩過渡及橋梁結構和施工安全。

預載索力值替換方法通過預張拉或預釋放的交錯進行使次步的替換力值實際上降到了10%，有效減少了索力波動，更能達到吊桿平穩更換的效果，因此該方法在以后的吊桿更換中具有較大的推廣應用價值。