基于差值法的系桿拱橋更換吊桿方案優(yōu)化研究

李浩師，黃平明，王 濤，蔡昌偉，張燎原

(長安大學 公路學院，陜西 西安 710064 )

系桿拱橋造型優(yōu)美，結(jié)構(gòu)新穎，兼顧梁橋和拱橋的受力特性，是典型的三元結(jié)構(gòu)體系[1]，由梁體、吊桿及拱肋組成。吊桿作為中、下承式系桿拱橋的主要傳力構(gòu)件[2]，其安全性、適用性和耐久性關(guān)系到整個橋梁的安全運營。由于其計算理論、構(gòu)造設(shè)計、運營管理等方面的不足，吊桿很容易出現(xiàn)錨具銹蝕、吊桿鋼筋疲勞等病害[3-5]，最有效的解決措施是更換吊桿。

目前國內(nèi)更換吊桿主要采用臨時支架法[6-7]、臨時兜吊法[8-9]和臨時吊桿法[10-11]等。臨時吊桿法通過分級張拉臨時吊桿和分批切斷舊吊桿鋼絲將吊桿力轉(zhuǎn)移到臨時吊桿，再通過分級張拉新吊桿和分級卸載臨時吊桿，將臨時吊桿力轉(zhuǎn)移到新吊桿。一般多采用等步長替代[12]的方法進行更換，但是并沒有考慮到舊吊桿的卸載和新吊桿的張拉，橋面線形的變化及是否需要二次調(diào)索等。本文基于此，以某中承式系桿拱橋主橋更換吊桿為例，提出采用臨時吊桿法，在傳統(tǒng)的等步長更換基礎(chǔ)上，運用差值法進行吊桿梯度張拉更換，以優(yōu)化系桿拱橋更換吊桿的張拉方案。

1 工程背景

一中承式系桿拱橋于1994年建成通車。主橋上部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土平行拱肋系桿拱，拱肋中心間距19.68 m，計算跨徑80 m，矢跨比1/5。拱軸線為二次拋物線，拱肋采用內(nèi)八角形箱形截面，共設(shè)5道一字型橫撐?？v梁采用55 cm×130 cm的矩形截面形式，橫梁采用120 cm×160 cm的矩形空心截面。全橋共設(shè)13對吊桿，吊桿中心間距5.08 m，舊吊桿由90根φ7鍍鋅鋼絲組成，新吊桿采用PE護套鋼絞線，吊桿外徑140 mm，PE護套厚度13 mm，由37束鋼絞線組成。主橋橋跨布置如圖1所示。

圖1 主橋橋跨布置(單位：cm)

經(jīng)過20余年的運營和雨水剝蝕，全橋吊桿錨頭大部分存在嚴重銹蝕病害，錨頭內(nèi)外露鋼絲銹蝕嚴重；吊桿鋼護筒破損；吊桿表面掉漆銹蝕，短吊桿基本被埋在泥土中。為了橋梁結(jié)構(gòu)的安全運營，需要對主橋進行吊桿更換。

2 吊桿更換方法

本橋吊桿更換采用臨時吊桿法，在拱肋吊桿位置前后分別澆筑三角形混凝土墊塊，架設(shè)上鋼橫梁，打穿橋面板相應(yīng)位置，對應(yīng)橫梁底部架設(shè)2道下鋼橫梁，每根吊桿處安裝4根臨時吊桿，形成臨時吊桿工作系統(tǒng)。

采用臨時吊桿法更換吊桿，需要2次體系轉(zhuǎn)換，首先切斷舊吊桿，通過分級張拉臨時吊桿和切斷舊吊桿鋼絲交替進行，共分5級張拉，劃分10個工況，完成第1次體系轉(zhuǎn)換。切斷舊吊桿，鑿除錨頭、清孔，安裝新吊桿，開始張拉新吊桿，同理分級張拉新吊桿和卸載臨時吊桿交替進行，完成第2次體系轉(zhuǎn)換。

對于張拉方案，提出等步長和差值法2種方案，其中等步長方案按照30%，30%，20%，10%，10%的梯度進行5級張拉和卸載，每級張拉力值比例和卸載力值比例相同。而差值法在保持張拉比例不變的情況下，改變卸載比例。為降低控制風險，第一級卸載比例仍然保持為30%，為防止橋面抬升過多，在張拉過程加大卸載比例，第二級卸載比例由30%加大為35%，同時為了防止梁體下降太多，第三級卸載比例保持20%不變，第四級卸載比例減小為8%，第五級減小為7%。切斷舊吊桿時，按照30%,30%,20%,10%,10%的梯度張拉臨時吊桿，按照30%,35%,20%,8%,7%的比例切斷舊吊桿鋼絲。張拉新吊桿時，按照30%,30%,20%,10%,10%的梯度張拉新吊桿，按照30%,35%,20%,8%,7%的比例卸載臨時吊桿索力。詳細張拉方案如表1、表2所示。

表1 臨時吊桿梯度張拉方案

表2 新吊桿梯度張拉方案

吊桿更換采用從中間向兩邊的順序逐次更換，即7#-6#-8#-5#-9#-4#-10#-3#-11#-2#-12#-1#-13#，每次僅更換上下游編號相同的一對吊桿，以降低控制風險。在整個更換過程中，進行索力和線形雙控，要求吊桿索力與設(shè)計值相差10%以內(nèi)，線形與設(shè)計值相差控制在10 mm 以內(nèi)。

3 更換吊桿

3.1 切斷舊吊桿

吊桿更換采用從中間向兩邊的順序逐根進行，對7#,6#吊桿進行試驗性更換。首先切斷7#舊吊桿采用方案1的等步長方法，張拉臨時吊桿和切斷舊吊桿鋼絲交替進行，詳細張拉梯度和工況劃分參見表1。

舊吊桿切斷過程，每一級張拉，精確測量張拉吊桿和相鄰吊桿的索力及線形，至7#臨時吊桿張拉完畢，其各吊桿處標高變化量如圖2(a)所示。橋面整體升高，7#吊桿處橋面抬升最多，為3.66 mm，6#，8#吊桿處橋面分別抬升2.04，2.13 mm。相鄰吊桿索力均減小，如圖2(b)所示。

圖2 張拉7#，6#臨時吊桿時各吊桿處標高及索力變化量

從圖2測量數(shù)據(jù)來看，張拉臨時吊桿過程中，舊吊桿沒有及時放張，雖然切斷相同比例的鋼絲根數(shù)，但是舊吊桿索力并沒有卸載到相應(yīng)比例。7#舊吊桿索力與臨時吊桿索力之和大于7#吊桿初始索力，7#吊桿處橋面升高。同時造成橋面整體升高，使得相鄰吊桿索力均減小，橋面抬高。

雖然切斷7#舊吊桿，全橋索力和線形變化均在控制范圍之內(nèi)，但是如果繼續(xù)按照該方案進行吊桿更換，會出現(xiàn)疊加效應(yīng)，橋面繼續(xù)升高，不利于施工控制?；诖?，改變張拉梯度，對6#臨時吊桿張拉采用差值法按照方案2進行臨時吊桿的張拉，詳細張拉梯度和工況劃分參見表1。

至6#臨時吊桿張拉完畢，各吊桿處標高變化量見圖2(a)，雖然橋面仍然稍有升高，但是變化量非常小，標高最大值6#吊桿處升高1.81 mm，最小值8#吊桿處升高1.12 mm。而吊桿索力變化量也減小，尤其4#吊桿索力變化量僅為22 kN，見圖2(b)。

圖3 舊吊桿力卸載比例

張拉7#和6#臨時吊桿過程中，比較舊吊桿每一級的卸載比例，見圖3。7#臨時吊桿張拉方案下，卸載比例與設(shè)計卸載比例有較大差值。而6#臨時吊桿采用差值法進行張拉，從第二級開始，其卸載比例加大，接近設(shè)計卸載比例，不僅6#舊吊桿索力及時卸載，而且各吊桿處線形變化量均很小，運用差值法張拉臨時吊桿有較好的效果。

3.2 張拉新吊桿

臨時吊桿張拉完畢，鑿除錨頭、清孔，安裝新吊桿，交替分級張拉新吊桿和卸載臨時吊桿。其中7#新吊桿采用等步長的方法按照方案3進行張拉，6#新吊桿采用差值法按照方案4進行張拉，詳細張拉梯度和工況劃分參見表2。

新吊桿張拉完畢，比較2種張拉方案在張拉過程中各吊桿處標高增量，如圖4(a)所示?？梢钥闯觯ㄟ^方案3張拉7#新吊桿，張拉吊桿和相鄰吊桿處均升高，7#吊桿處升高1.9 mm，其他吊桿升高也超過1 mm。而采用方案4張拉6#新吊桿，至張拉完畢，標高最大值6#吊桿處僅升高0.87 mm，其他相鄰吊桿處基本小于0.5 mm。方案4的線形變化量明顯小于方案3線形變化量，有利于維持橋面線形平順，降低控制風險，便于進行施工控制。

按照方案3和方案4張拉新吊桿后，相鄰吊桿的索力變化量如圖4(b)所示。可以看出，采用方案3張拉完畢后，除了7#新吊桿張拉到位，相鄰吊桿索力均增大，其中8#吊桿索力增大最多，增大199 kN， 6#吊桿索力增加178 kN。而采用方案4張拉6#新吊桿，至張拉完畢，相鄰吊桿索力雖然也有增大趨勢，但是變化量明顯小于方案3?？梢钥闯?，采用方案4不僅新吊桿索力張拉到位，而且對相鄰吊桿影響較小。

圖4 張拉7#，6#新吊桿時各吊桿處標高及索力變化量

分級張拉新吊桿，比較每一級新吊桿力的增長比例，如圖5所示。與設(shè)計張拉力的增長梯度比較，張拉7#新吊桿，其增長速度大于設(shè)計增長速度，而采用差值法張拉6#新吊桿，其增長速度低于7#新吊桿，與設(shè)計增長梯度較為接近。運用差值法張拉新吊桿有較好的效果。

圖5 新吊桿力增長比例

3.3 全橋吊桿更換

全橋吊桿更換完畢，索力與初始值比較，如表3所示，相差均在10%以內(nèi)。4#吊桿相差最大，為8.35%，7#吊桿按照等步長的方法進行更換，為7.35%，其他吊桿大多數(shù)索力相差在5%以內(nèi)。

表3 全橋吊桿索力與初始值比較 %

橋梁線形與更換吊桿前比較，見圖6。可知，7#吊桿處升高5.23 mm ，6#吊桿處升高5.04 mm，其他吊桿處變化量均在5 mm以內(nèi)，小于限值10 mm。全橋橋面處于抬升狀態(tài)，從橋梁運行角度考慮良好。

圖6 全橋線形變化量

綜合考慮全橋索力和線形，變化量均很小，完全滿足要求，無需進行二次調(diào)索。

4 結(jié)語

1)全橋共13對吊桿，從中間向兩側(cè)逐根進行更換，7#吊桿采用等步長的方法梯度更換，其余吊桿全部采用差值法梯度更換。至更換完畢，全橋吊桿索力變化較小，線形變化平順，均符合要求，無需進行二次調(diào)索。

2)吊桿更換過程中，會對相鄰吊桿索力和標高產(chǎn)生影響，切斷舊吊桿方案2優(yōu)于方案1，張拉新吊桿方案4優(yōu)于方案3，即差值法更換吊桿優(yōu)于等步長更換吊桿。

3)采用差值法張拉臨時吊桿可有效解決舊吊桿力卸載不足的問題，減小橋面線形變化量；采用差值法張拉新吊桿，可使得新吊桿力每級接近設(shè)計值的大小，減小對相鄰吊桿索力的影響，減小橋面線形變化量。

4)更換吊桿時橋面線形和吊桿索力均會發(fā)生變化，建議更換吊桿時選取合適的差值比例進行梯度張拉，以減小線形和索力的變化量，避免二次調(diào)索。