中承式鋼管混凝土拱橋吊桿更換施工控制分析

秦 志，莫世英，李錦彌

(廣西交通投資集團南寧高速公路運營有限公司，廣西 南寧 530022)

0 引言

中承式鋼管混凝土拱橋因其造型優(yōu)美、跨越能力大、造價較低，成為主跨200～400 m范圍內(nèi)的經(jīng)典橋型，但同時也因為早期吊桿生產(chǎn)工藝和PE材料的不成熟，吊桿在使用過程中出現(xiàn)銹蝕破斷的情況時有發(fā)生，甚至導(dǎo)致部分橋梁出現(xiàn)垮塌。為了維護安全的通車環(huán)境，保證中承式鋼管混凝土拱橋的運營安全，進行周期性的吊桿更換尤為重要。

1 工程背景

三岸邕江特大橋為中承式鋼管混凝土拱橋，主跨跨徑270 m，拱軸系數(shù)m=1.167，標(biāo)準(zhǔn)矢跨比F/L=1/5。拱肋為等高等寬的鋼管混凝土桁架，拱肋高5.6 m，寬2.4 m。吊桿采用雙吊桿體系，全橋共有吊桿橫梁21片，相應(yīng)有吊桿84

根，單根吊桿均為61-φ7平行鋼絲墩頭錨吊桿。橋面總寬32.8 m，雙向六車道，橋梁于1998年12月竣工通車(如圖1所示)。

運營15年后，對吊桿進行開窗及內(nèi)窺鏡檢查，發(fā)現(xiàn)部分吊桿鋼絲已產(chǎn)生較為嚴重的銹蝕，經(jīng)分析研究，決定對全橋吊桿進行更換。

圖1 三岸邕江特大橋橋型布置圖

2 施工控制的重點

施工控制的主要目的是進行動態(tài)控制，實現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)，確保在整個施工過程中，橋梁處于安全可控狀態(tài)，盡量使得橋梁在吊桿更換前后的狀態(tài)保持一致。

2.1 橋梁初始狀態(tài)的確定

南寧地處低緯度，日照強烈，而大跨度拱橋?qū)囟缺容^敏感，在前期階段，應(yīng)選擇無風(fēng)晴朗、橋梁空載的狀態(tài)下，連續(xù)24 h進行測量，記錄橋面標(biāo)高、拱軸線型、吊桿長度等關(guān)鍵參數(shù)，并將各種參數(shù)和現(xiàn)場溫度建立擬合的線形關(guān)系，修正溫度對各監(jiān)控參數(shù)的影響(見表1)。

表1 溫差(10 ℃)對各吊桿更換時的相鄰吊桿相對變形影響表(mm)

吊桿長度值不能按照設(shè)計圖紙或者竣工圖紙確定，因橋梁運營時間較長，實際狀態(tài)與設(shè)計狀態(tài)、成橋狀態(tài)不一致，最好采用拉鋼絲繩的辦法測量真實長度，然后再計算無應(yīng)力下料長度，保證工廠預(yù)制吊桿的長度合適。

2.2 計算控制值

安排監(jiān)控實施單位對橋梁吊桿更換前的結(jié)構(gòu)進行受力分析，掌握原結(jié)構(gòu)及加固后結(jié)構(gòu)在設(shè)計荷載作用下的整體受力情況，并與設(shè)計單位的計算結(jié)果進行比較、核算，評估加固后的結(jié)構(gòu)安全性。根據(jù)施工方案進行吊桿更換期間的受力計算，評估施工安全性，并提出吊桿更換期間的拱肋、橋面變形控制值(見圖2)。

圖2 橋梁整體分析模型圖

因橋面混凝土護欄在計算中僅僅作為荷載，不考慮其對橋面剛度的影響，施工中經(jīng)常出現(xiàn)橋面實際變形值小于理論值的情況，對此應(yīng)給予充分的考慮，若混凝土護欄橫截面較大，應(yīng)考慮其對橋面剛度的影響。

2.3 臨時兜吊系統(tǒng)的安全驗證

臨時兜吊系統(tǒng)必須在最不利的工況下進行試驗，測試其在拱背的抗滑移能力和工具吊桿錨固的可靠程度。通過現(xiàn)場試吊試驗，表明兜吊系統(tǒng)有較大滑移，為確保吊桿更換期間的安全性，對原設(shè)計圖紙進行了優(yōu)化，仍在原橋結(jié)構(gòu)上焊接了擋塊。

2.4 動態(tài)控制過程

全橋84根(21組)吊桿更換，從跨中往河岸對稱循環(huán)施工，跨中第一次循環(huán)施工4根(1組)吊桿，往后每次循環(huán)施工8根(2組)吊桿。每一次循環(huán)的基本流程如圖3所示。

圖3 吊桿更換的基本流程圖

關(guān)鍵的工序為吊桿力的轉(zhuǎn)移：第一次為舊吊桿力轉(zhuǎn)移至臨時兜吊系統(tǒng)，然后割斷舊吊桿；第二次為兜吊系統(tǒng)的力轉(zhuǎn)移至新吊桿，然后放松兜吊系統(tǒng)。施工過程中，需對吊桿索力、橋面線型進行監(jiān)測，采用標(biāo)高和內(nèi)力雙控，兩者兼顧。這樣既保證了橋面變形不超過理論計算值，又保證了張力在設(shè)計范圍內(nèi)。在舊吊桿拆除和新吊桿安裝過程中吊點的高程變化及相鄰吊桿吊點高程變化差值一般控制在±5.5 mm以內(nèi)(見表2)。

表2 吊桿更換施工過程控制指標(biāo)表

吊桿更換分五級加載和卸載，每一級均測試標(biāo)高及應(yīng)變(應(yīng)力)的變化量，而且上下游吊桿索力相對偏差及縱向吊桿索力偏差總體上也應(yīng)保持在±5%以內(nèi)。

舊吊桿的鋼絲分5次逐步割斷，相應(yīng)的工具吊桿分5級張拉(見表3)。

表3 舊吊桿拆除時體系轉(zhuǎn)換張拉分級表

在吊桿更換前、舊吊桿割除、新吊桿張拉及吊桿更換完成后等幾個階段分別對橋面標(biāo)高進行測量。當(dāng)標(biāo)高數(shù)據(jù)與計算結(jié)果出現(xiàn)較大差別時，應(yīng)停止后續(xù)施工，找到原因并處理后方能繼續(xù)施工(見圖4)。

圖4 橋面標(biāo)高測點布置圖(mm)

選擇左拱腳、1/4拱、拱頂、3/4拱、右拱腳5個截面，進行施工過程的結(jié)構(gòu)受力監(jiān)測(見圖5)。每側(cè)拱肋5個測試截面，采用振弦式應(yīng)變計測量。在張拉過程中進行數(shù)據(jù)測讀時，原則上要求全部測試點同步讀數(shù)。

圖5 拱肋應(yīng)力測點布置斷面圖(mm)

在施工過程中，吊桿索力采用千斤頂油表讀數(shù)、振動頻率法兩種方法進行測試，互相校核，確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。在成橋狀態(tài)下，所有吊桿都采用振動方法進行測量。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 橋面標(biāo)高變化分析

完成全部吊桿更換工作后，靜置約6 h，測得吊點位置的標(biāo)高值作為終值。更換吊桿前，將全橋吊點位置標(biāo)高測量值作為初始值。標(biāo)高差值為正時，表示橋面上升；標(biāo)高差值為負時，表示橋面下降(見表4)。

表4 吊桿更換前后橋面標(biāo)高差值表(mm)

從表4數(shù)據(jù)可知，上游最大差值為12.1 mm，下游最大差值為12.7 mm，與跨徑比值約L/20 000，考慮到吊桿更換前后溫度、濕度及吊桿剛度不一致，表明整體橋面線形控制效果良好。

3.2 拱肋應(yīng)力應(yīng)變分析

拱肋應(yīng)變計安設(shè)在鋼管表面。吊桿更換前后的測試表明，應(yīng)變計最大變化值較小，在10#吊桿更換過程中，最大應(yīng)變變化為25με，對應(yīng)的鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化值僅為約5.0 MPa。在吊桿更換過程中，拱肋受力完全滿足要求。

3.3 吊桿索力變化分析

吊桿索力在吊桿更換前后實測值偏差一般不超過3%，有少數(shù)幾根吊桿索力在吊桿更換前后的實測值偏離值超過5%，其中吊桿X2-2、X6-1、X7-1、X9-1、S18-1等5根吊桿均是更換前索力值小于更換后的索力值，但更換后的吊桿的索力值又與同橫梁同側(cè)的吊桿索力值相差很小，可以認為這些吊桿在更換前就存在索力偏小、同橫梁同側(cè)吊桿索力不均或是舊吊桿索力測試值偏小的現(xiàn)象，導(dǎo)致更換后這些吊桿索力變化較大，因而這幾根吊桿實際上并沒有發(fā)生索力嚴重偏離的情況，可以安全使用(見表5)。

表5 吊桿更換前后索力值表

4 結(jié)語

綜合橋面標(biāo)高、拱肋應(yīng)力、吊桿索力等相關(guān)測量數(shù)據(jù)表明，通過施工控制，吊桿更換精度達到了預(yù)期的效果。橋面線形整體變化較小，雖然個別測點的標(biāo)高變化達到12 mm，考慮到吊桿更換前后溫度、濕度及吊桿剛度不一致，且絕對偏差約為跨徑的L/20 000，可認為吊桿更換對大橋擾動較小，滿足設(shè)計要求?？刂平孛鎸崪y應(yīng)變與理論值較符合，新吊桿索力與理論值基本吻合。