采用外套鋼管保護的系桿拱橋吊桿更換技術研究

朱 軍，曹文斌，朱利明，易晨陽

（1.無錫市市政設施建設工程有限公司，江蘇 無錫 214000；2.南京工業大學交通運輸工程學院，江蘇 南京 210009）

0 引言

下承式混凝土系桿拱橋不但擁有一般拱橋剛度大、造型優美的優點，相較于上承式拱橋，還擁有建筑高度低、矢跨比調整空間大的優點，在中等跨徑的市政橋梁中有較多應用。吊桿作為拱肋與系桿之間的傳力構件，是系桿拱橋的重要組成部分。然而，根據資料顯示，早期建造的一些系桿拱橋吊桿存在不同程度的病害[1，2]。其中，最為常見的是吊桿兩端密封裝置失效、錨固端混凝土出現裂縫、防護套管破損及吊桿內部鋼絲疲勞破壞。若對上述病害進行維修，需要解除吊桿錨固，對吊桿進行更換。目前主要的換索方法有臨時吊桿法、臨時兜吊法、臨時支撐法和直接更換法等[3-5]。

關于系桿拱橋吊桿更換施工技術方面的研究較多。張武等[6]通過模擬試驗的方法對新吊桿結構型式、臨時吊桿體系對比等方面進行了研究。康孝先等[7]依托某系桿拱橋換索施工研究了系桿更換過程中的保護性混凝土切除、拔索和清孔等關鍵技術。李正嘉等[8]采用數值模擬的手段研究了系桿拱橋吊桿更換過程中吊桿張拉步長。丁毅等[9]從吊桿更換設計、施工和監控等方面對三拱肋無風撐系桿拱橋吊桿更換技術進行了系統研究。上述研究大多集中于采用臨時支承的施工方法，而直接更換法研究較少。

本文在對比多種更換吊桿施工方法的基礎上，同時考慮本工程橋梁吊桿外套鋼管的情況，制定該橋的吊桿更換方案，并利用有限元進行計算驗證；建立施工監控體系，對施工過程中橋梁的應力變化、變形進行監控，并對數據進行分析，以驗證理論控制安全。

1 工程概況

本文研究對象為某一跨80 m 下承式系桿拱橋。該橋采用左右幅分離式布置，橋梁結構立面如圖1 所示。每幅橋每側設置16 根吊桿，全橋共64 根吊桿，吊桿間距均為4.0 m，吊桿采用外徑219 mm、壁厚14 mm的無縫鋼管作為外套管，內穿成品索，索體抗拉極限強度1 670 MPa，拉索斷面圖如圖2 所示。根據定期檢測報告，錨頭的主要病害為上錨頭封錨混凝土開裂、下錨頭積水和銹蝕。其中，下錨頭積水現象嚴重，填充黃油嚴重變質。為進一步查明吊桿內部銹蝕狀況，決定更換一根典型吊桿（四分跨處）。

圖1 結構立面圖（單位：cm）

圖2 拉索斷面圖

2 吊桿更換設計原則

本次吊桿更換設計遵循以下原則進行。

（1）吊桿更換施工前后及施工過程中，應保證橋梁整體和局部受力安全。

（2）吊桿更換施工后，橋梁受力、線形與原橋狀態一致。

（3）在保障結構安全的前提下，應充分考慮現場施工條件，施工方案應具有良好的經濟性，且施工工藝易于操作、施工質量易于控制[4-5]。

3 吊桿更換施工方案

3.1 吊桿更換施工方法

吊桿更換施工的重點與難點是，放張舊吊桿后如何將該吊桿拉力重新傳遞給新吊桿，且保障施工過程中的結構安全。目前主流的施工方法有臨時吊桿法、臨時支架法、臨時兜吊法和直接更換法等。由于本工程橋梁下方為河流航道，不具備臨時支架法的施工條件，故不進行比選。

3.1.1 臨時吊桿法

臨時吊桿法是在原吊桿處搭建臨時吊桿體系，臨時吊桿體系上下固定于拱肋與系梁，臨時吊桿貫穿其中。施工時通過逐級張拉臨時吊桿和逐級放張原吊桿，將原吊桿所提供的支承力逐步轉移至臨時吊桿上。更換新吊桿后，再重復前文操作，逐級將支承力傳遞給新吊桿。臨時吊桿法是目前應用最多的方法，此方法安全、可靠，且可以同時更換多根吊桿，也可不封閉交通施工。但此類方法需要制作輔助結構，且臨時體系在拱肋上固定時需要制作不同角度的找平裝置，施工較為煩瑣。

臨時吊桿法施工流程如下：

（1）搭設臨時吊桿體系等準備工作，完成橋梁結構幾何形狀初始數據采集工作。

（2）逐級張拉臨時吊桿，逐級放張舊吊桿，與此同時注意觀察結構變形。

（3）舊吊桿放張后，解除舊吊桿錨固并拆除舊吊桿，安裝新吊桿并進行錨固。

（4）分級張拉新吊桿，分級卸載臨時吊桿。

3.1.2 臨時兜吊法

與臨時吊桿法類似，臨時兜吊法也是通過臨時支撐體系來承擔舊吊桿所提供的支承力，且施工步驟類似。臨時兜吊法與臨時吊桿法的區別主要在結構不同，臨時兜吊法是通過柔性體系實現與拱肋的固定，因此可以不用制作多個角度的找平裝置，并且可以通過合理設置柔性鋼絲繩的長度，避免高空操作臨時吊桿張拉。缺點是柔性鋼絲繩索力不易控制[3]。

3.1.3 鋼導梁法

在橋面更換吊桿處架設鋼導梁，將更換目標吊桿的拉力傳遞給相鄰兩吊桿。該方法施工操作方便，高空作業少，但導梁自重大，對空間要求大，邊吊桿不適用。

3.1.4 直接更換法

直接更換法是直接將原吊桿進行逐級放張后更換新吊桿再逐級張拉，一般應用于剛性系梁結構。此方法施工簡便，不需制作輔助結構，工程造價低。但此類方法需要對施工全過程中施工步驟和施工工藝進行嚴格驗算和控制[9]。

由于本橋吊桿外套鋼管，若采用鋼導梁法難以將力直接傳遞給吊桿，故不適用于本工程。此外，為探究吊桿內部病害情況，需對鋼管進行切割。鋼管在橋梁運營期間承受一定的壓力，若采用臨時吊桿法、臨時兜吊法，切割鋼管后鋼管壓力被釋放，重新焊接難以準確恢復原有壓力。此外，上述方法需要制作整套臨時支撐體系，且需要對體系各構件進行設計、計算，準備工作較為復雜，且本次吊桿更換施工只更換一根吊桿，制作輔助結構經濟性較差。本工程橋體結構為剛性系梁，適用直接更換法，但施工過程會引起橋體較大的變形與內力變化，需對施工過程進行模擬計算。

綜上所述，充分考慮安全性與經濟性，結合本橋吊桿采用外套鋼管的特殊情況，擬采用直接更換法。為保障施工過程安全、可靠，下面對直接更換法進行模擬試算。

3.2 有限元模型

采用Midas Civil 有限元計算程序，對吊桿更換施工全過程進行仿真分析，拱肋、系梁、橫梁、風撐采用梁單元模擬。由于該橋主跨跨徑不大，非線性效應影響較小，吊桿拉索采用桁架單元模擬，外套鋼管采用梁單元模擬，外套鋼管與拉索采用共節點雙單元模擬，在節點處變形協調相互作用。全橋共劃分440個節點、610 個單元，截面參數及材料參數按竣工圖紙取值。按實際施工步驟計算各施工階段結構變形和內力，結構計算分析模型如圖3 所示。

圖3 結構計算分析模型

3.3 直接更換法施工步驟的確定及驗算

按照直接更換法，結合現場實際情況，初擬施工步驟為：施工前準備→分級放張→切割無縫鋼管→抽出吊桿，安裝新吊桿→分級張拉，焊接無縫鋼管→分級張拉至原拉力。考慮到本工程外套鋼管在使用狀態參與承受一部分壓力，若在更換完新吊桿后直接按原長焊接無縫鋼管，會導致鋼管應力難以控制，經計算，當新吊桿張拉至目標拉力60%時，無縫鋼管應力為0 MPa，故選取此工況下焊接鋼管。

綜上所述，參考相關工程案例，分5 級卸載與張拉吊桿，具體施工步驟見表1。

表1 施工工況及編號

將表1 工況代入有限元模型計算，提取更換目標吊桿處的系梁、拱肋應變與變形數據，結果如圖4所示。從圖中可知，吊桿更換過程中，系梁、拱肋各項指標在工況7 出現極值，但均未超限。與此同時，相鄰吊桿的拉力重新分配，吊桿拉力有所增加，最大吊桿拉力增量為46 kN，最大吊桿拉應力增量為37.5 MPa，增量比例為7.3%，滿足2.5 倍的強度儲備要求。上述各項指標變化與設計體系溫度、溫度梯度變化工況引起的變化近似（系梁上移1.9 mm，拱肋上移2.7 mm，鄰近吊桿分別索力增加31.3 kN 與26.5 kN）。由此可見，本工程采用直接更換法對橋梁影響較小。

圖4 系梁、拱肋應變與變形理論計算結果

結合上述計算結果，得到以下結論：采用直接更換法，橋體強度儲備充足、安全可行。

4 吊桿更換施工監控

4.1 施工監控的內容和目標

由于采用直接更換法會引起橋梁變形與內力的變化，所以施工過程中不僅需要對施工前后橋梁狀態進行監控，還需要對每一步工況進行監控。結合有限元計算結果和現場實際情況，對拱肋和系梁的變形及應力、吊桿拉力、鋼管應力、溫度進行監測。系梁變形監測采用電子水準儀，拱肋變形監測采用全站儀。拱肋、系梁和鋼管應力監測均采用表面外貼式鋼弦應變計。吊桿拉力主要采用油壓千斤頂讀數測定法進行測定。

吊桿更換施工具體控制目標設置如下：

（1）施工前后。更換吊桿后，全橋的線形、內力均符合該橋現狀的要求。吊桿更換前后，拉力偏差不超過5%，鋼管內力偏差不超過10%，系梁及拱肋各測點處變形值控制在2 mm 以內，吊桿拉力和橋面線形與原橋狀態基本保持一致。

（2）施工過程中。參考有限元理論計算值，取理論應力1.02、1.05、1.1 倍作為應力三級預警值，取超過理論計算值1 mm、1.5 mm、2 mm 作為三級變形預警值，對比實測數據與預警值，從而實現對施工過程的控制。

4.2 施工監控結果及分析

整理各工況監測數據如圖5 所示。從圖中可知，在工況7下，系梁在更換吊桿截面出現最大下撓，為-0.70 mm；拱肋出現最大上撓，為0.60 mm。系梁在施工過程中出現的最大拉、壓應變分別是10.3 με、-44.1 με，拱肋最大拉壓應變分別為55.6 με、-50.9 με。更換吊桿處外套鋼管在工況6 時達到最大正應變，為173.3 με。上述控制目標均小于理論計算值。由于施工當日在吊桿更換時間較短，氣溫變化不明顯，因此可以忽略溫度影響。綜上所述，此次施工過程安全、可控。

圖5 系梁、拱肋應變與變形實測計算結果

對比更換吊桿施工前后數據：吊桿更換完成后，系梁、拱肋各監控截面的應變和變形均與原橋狀態接近。結果表明，施工前后系梁達到恢復原橋狀態的基本目標。現場實測得到吊桿拉索拉力為902 kN，鋼管的壓力為156 kN；吊桿更換完成后，吊桿拉索拉力為905 kN，鋼管的壓力為142 kN。吊桿更換前后鋼管內壓力變化了8.8%，符合監控控制目標。

綜上所述，在本次吊桿更換施工過程中橋梁結構變形、應變均小于理論值，說明結構處于安全狀態。吊桿更換完成后，系梁和拱肋各監控截面的應變和變形均與原橋狀態接近，且新吊桿拉力及鋼管內力與原橋基本一致，說明橋梁在更換吊桿施工后達到了恢復原橋狀態的基本目標。

5 結論

本文通過分析對比多個系桿拱橋吊桿更換施工工藝，結合更換設計原則，以及本橋吊桿外套鋼管的情況，擬選直接更換法，并結合有限元計算，論證了直接更換法的可行性。現場施工時，采用施工監控的方法監控施工過程中該橋的受力、變形，并對結果進行分析。結果表明：采用直接更換法進行吊桿更換對剛性系桿的系桿拱橋影響較小。綜上所述，在對施工過程進行計算分析、論證橋梁安全后，采用直接更換法進行系桿拱橋吊桿更換施工是一種經濟、高效的施工方法。