【摘要】近年來(lái),隨著城鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,交通荷載持續(xù)增加,給各處中承式鋼管混凝土拱橋帶來(lái)了荷載壓力,檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)這些橋梁存在病害問(wèn)題,需及時(shí)更換吊桿?;诖耍疚囊怨皹虻鯒U更換作為研究對(duì)象,結(jié)合工程概況與檢驗(yàn)結(jié)果,提出吊桿更換的設(shè)計(jì)思路,并對(duì)該中承式鋼管混凝土拱橋展開(kāi)吊桿更換施工與安裝。
【關(guān)鍵詞】中承式;鋼管混凝土拱橋;吊桿更換;施工技術(shù)
現(xiàn)如今鋼管混凝土拱橋在我國(guó)廣泛應(yīng)用,中承式與下承式拱橋作為主要的橋型,吊桿是其傳力構(gòu)件,能夠?yàn)楣皹驑蛎婧爿d與活載提供支撐,讓拱肋起到作用。隨著城鄉(xiāng)交通量的增加,很多鋼管混凝土拱橋都是早期建設(shè)的,這些拱橋的吊桿出現(xiàn)了磨損和腐蝕的問(wèn)題,不利于拱橋的使用耐久性,也對(duì)拱橋的承載能力帶來(lái)安全隱患。如何正確更換吊桿,保證拱橋結(jié)構(gòu)安全,是本文的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。
1、工程概況
以某處橋梁為例,該橋梁的上端為一孔凈跨46m的中承式鋼管混凝土肋拱,其凈矢跨比為三分之一。該處拱橋的拱肋屬于明顯的二次拋物線(xiàn), 800×14mm鋼管內(nèi)部灌有C30的混凝土,在鋼管與混凝土的綜合作用下組成了拱橋的拱肋斷面。橋面以下使用了 600×8mm鋼管下橫撐與斜撐,拱橋上使用了?700×10mm鋼管的上橫撐,使拱橋兩肋成為了一個(gè)整體。鋼管混凝土拱橋橋面由現(xiàn)澆鋼筋混凝土橫梁、縱梁與橋面板組成,吊桿部分屬于109絲?5的高強(qiáng)度鋼絲構(gòu)成,外部帶有PE材料防護(hù)。該拱橋的原有設(shè)計(jì)中,橋臺(tái)就是重力橋臺(tái),荷載為汽-20級(jí)、掛-100、人群荷載為每平方米3.5kN。鋼管混凝土拱橋的橋面寬為-12+2×0.25防護(hù)欄+2×0.8拱肋+2×1.75人行道+2×0.2欄桿=18m,該橋是典型的中承式鋼管混凝土拱橋[1]。
2、橋梁檢驗(yàn)結(jié)果分析
近年來(lái),社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展使人們的生活水平顯著提高,在馬路上行駛的車(chē)輛越來(lái)越多,使該中承式鋼管混凝土拱橋承受的交通荷載也在激增,橋梁開(kāi)始呈現(xiàn)出不同形式的病害現(xiàn)狀。為了加強(qiáng)對(duì)該鋼管混凝土拱橋的受力分析,研究人員對(duì)該橋梁的外部情況與內(nèi)部靜動(dòng)載進(jìn)行了檢測(cè),并得出了檢測(cè)結(jié)果。得知該拱橋的鋼管拱肋處出現(xiàn)了明顯的銹蝕問(wèn)題,且拱橋吊桿處已經(jīng)發(fā)生了漏油與滲水現(xiàn)象,橋梁的衡量與縱梁存在不同程度的裂縫,少部分錨頭和錨板已經(jīng)嚴(yán)重銹蝕。在該拱橋的靜載測(cè)試中,得到的實(shí)際測(cè)量值已經(jīng)明顯超過(guò)了理論值,但是橋梁的動(dòng)力特性依然在合理范圍內(nèi),說(shuō)明該拱橋可以繼續(xù)使用,但必須以修繕為前提。經(jīng)過(guò)研究與探討,人們決定首先對(duì)鋼管混凝土拱橋的吊桿部分進(jìn)行更換[2]。
3、中承式鋼管混凝土拱橋吊桿更換設(shè)計(jì)
3.1選擇新吊桿
該中承式鋼管混凝土拱橋當(dāng)前使用的吊桿是109絲?5的高強(qiáng)度平行鋼絲束,墩頭錨吊桿,是我國(guó)國(guó)內(nèi)大多數(shù)拱橋使用的吊桿類(lèi)型。分析該吊桿的優(yōu)缺點(diǎn),具體如下:(1)平行鋼絲與墩頭錨。優(yōu)點(diǎn)在于錨具加工十分簡(jiǎn)單,且錨具尺寸小,回縮量小;缺點(diǎn)是鋼絲下料與墩頭質(zhì)量無(wú)法得到保證,且防腐能力不理想。(2)平行鋼絲與冷鑄墩頭錨。優(yōu)點(diǎn)在于其錨固性能較高;缺點(diǎn)為錨頭尺寸過(guò)大。(3)鋼絞線(xiàn)與夾片錨。優(yōu)點(diǎn)在于防腐性能良好,有著較強(qiáng)的抗震性;缺點(diǎn)為錨頭尺寸過(guò)大,動(dòng)荷載下夾片容易發(fā)生松動(dòng)現(xiàn)象。
經(jīng)過(guò)分析與研究,拱橋新吊桿建議使用平行鋼絲+冷鑄墩頭錨,或者是鋼絞線(xiàn)整束擠壓錨。但是冷鑄墩頭錨的頭部尺寸過(guò)大,無(wú)法順利通過(guò)鋼管混凝土拱橋的拱肋處,不能在橫梁預(yù)埋鋼管內(nèi)準(zhǔn)確通過(guò)。對(duì)此,經(jīng)過(guò)一致研究,人們決定在本次吊桿更換施工中應(yīng)用成品形式的鋼絞線(xiàn)整束擠壓式吊桿。這種吊桿的索體為鋼絞線(xiàn)索體,鋼絞線(xiàn)的選擇有很多,例如光面鋼絞線(xiàn)、環(huán)氧噴涂鋼絞線(xiàn)或者鍍鋅鋼絞線(xiàn)等。圖1為該中承式鋼管混凝土拱橋新吊桿的構(gòu)造示意圖[3]。
3.2新吊桿受力分析
為鋼管混凝土拱橋選擇新吊桿的同時(shí),還要對(duì)其受力加以分析,以此保證新吊桿的荷載能力滿(mǎn)足當(dāng)前交通環(huán)境下對(duì)拱橋的需求。研究人員使用了“橋梁博士3.2.0”軟件程序,對(duì)該拱橋進(jìn)行平面模型的建立,并計(jì)算橋梁的吊桿力。在模型中,不僅包含拱肋與吊桿,還包含了橋梁衡量自重模擬和欄桿重量模擬。研究人員應(yīng)用杠桿法對(duì)拱橋活載橫向分布系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,并在計(jì)算機(jī)“Midas2010”應(yīng)用軟件的輔助下完成數(shù)據(jù)的校對(duì)與核算,得出了該大橋結(jié)構(gòu)Midas空間計(jì)算模型和喬博士平面計(jì)算模型。最終,人們確定選用GJ15-15型號(hào)的整束擠壓式吊桿,鋼絞線(xiàn)橫截面積具體為20.85平方厘米。過(guò)去拱橋的舊吊桿鋼絲束橫截面積為21.4平方里面,兩個(gè)數(shù)值相似,相互更換后能夠滿(mǎn)足鋼管混凝土拱橋?qū)Φ鯒U力與應(yīng)力的需求。
3.3新吊桿的技術(shù)要求
本次鋼管混凝土拱橋吊桿更換施工中,鋼絞線(xiàn)的應(yīng)用符合GB/T5224-2003的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),為 s15.2的高強(qiáng)低松弛鋼絞線(xiàn),抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到1860MPa。對(duì)于單根鋼絞線(xiàn),經(jīng)過(guò)測(cè)驗(yàn),可以滿(mǎn)足200萬(wàn)次的應(yīng)力荷載,其應(yīng)力幅度最大為837MPa,最小為477MPa,在該區(qū)間內(nèi)鋼絲不會(huì)發(fā)生斷裂現(xiàn)象。成品GJ15-15吊桿能夠滿(mǎn)足相關(guān)技術(shù)指標(biāo),鋼絞線(xiàn)的成品吊桿錨具也能夠滿(mǎn)足行業(yè)技術(shù)指標(biāo)要求,但疲勞試驗(yàn)應(yīng)力的幅度應(yīng)擴(kuò)大到200MPa,最大限度上保證吊桿更換后拱橋的安全通行。
在可靠的動(dòng)力荷載下,錨固施工工藝應(yīng)有效防止其發(fā)生滑動(dòng),錨具和索體的接頭處應(yīng)做好防腐處理工作,建議施工人員對(duì)吊桿與錨固系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)钠谠囼?yàn),以此了解吊桿和錨固系統(tǒng)的抗疲勞能力。建議在鋼絞線(xiàn)吊桿處這年HDPE防護(hù)層,并按照《建筑纜索用高密度聚乙烯塑料》的具體要求進(jìn)行防護(hù)層安裝。
4、中承式鋼管混凝土拱橋吊桿更換施工技術(shù)分析
4.1吊桿更換流程
該中承式鋼管混凝土拱橋的吊桿更換中,研究人員決定使用橋梁拱頂提升平臺(tái)張拉千斤頂?shù)姆桨?,使橋梁橫梁順利提升。該吊桿更換施工中包含了舊吊桿的拆除和新吊桿的安裝,也包含張拉調(diào)索和相關(guān)部位的防護(hù)處理工作。分析該鋼管混凝土拱橋處的單根吊桿更換施工流程,具體如下:(1)施工準(zhǔn)備工作。(2)測(cè)量并收集鋼管混凝土拱橋的橋面標(biāo)高和相關(guān)參數(shù)。(3)安裝施工平臺(tái)、橫梁兜吊系統(tǒng)、移動(dòng)支架、人行道板,提高索體位置,并在該處鉆孔施工。(4)抬升橫梁,按照測(cè)量標(biāo)高的數(shù)據(jù)將舊吊桿割斷。(5)及時(shí)清理錨頭與套管,為新吊桿的安裝施工奠定基礎(chǔ)。(6)安裝新吊桿,并調(diào)整新吊桿的吊桿力,根據(jù)測(cè)量標(biāo)高參數(shù)放松兜吊系統(tǒng)。(7)安裝防水罩,做好防水處理工作[4]。
4.2拆除舊吊桿的施工技術(shù)
施工人員對(duì)鋼管混凝土拱橋進(jìn)行舊吊桿拆除的時(shí)候,應(yīng)嚴(yán)格最終對(duì)稱(chēng)原則,從橋梁每個(gè)拱跨的兩端處,向跨中間部分逐對(duì)拆除。施工人員在拆除一對(duì)舊吊桿之后,就應(yīng)安裝一對(duì)新吊桿。拆除過(guò)程中建議做好橋面標(biāo)高的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)中如果發(fā)生較大程度的參數(shù)變動(dòng),建議立即停止拆除和安裝,查清原因之后經(jīng)過(guò)有效的方案處理,再繼續(xù)拆除舊吊桿。分析鋼管混凝土拱橋的舊吊桿拆除施工技術(shù),具體操作如下:
(1)在橋梁拱肋上安裝橫梁提升系統(tǒng)。該系統(tǒng)安裝后,建議施工人員嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的噸位展開(kāi)張拉試驗(yàn),輔助索張拉千斤頂,能夠?yàn)榈鯒U的更換提供施工空間,建議將施工空間安排在鋼管混凝土拱橋的拱頂位置或橋面位置。施工人員需要通過(guò)核算與校驗(yàn)后,以工程施工安全為前提,利用施工機(jī)具調(diào)整橫梁提升系統(tǒng)。與此同時(shí),還應(yīng)注意錨固的焊接是否會(huì)對(duì)拱肋處的鋼管產(chǎn)生不良影響。
(2)啟動(dòng)橫梁提升系統(tǒng),提升橫梁,并同時(shí)提升上下游。這一過(guò)程中建議施工人員根據(jù)實(shí)際測(cè)量的舊吊桿拉力值,按照吊點(diǎn)處高程變化參數(shù),使張拉拉力的變化和相鄰的吊點(diǎn)之間高差處于5mm左右。施工過(guò)程中還需要具體考慮機(jī)具的荷載情況,根據(jù)測(cè)量結(jié)果從而確定衡量的提升與荷載等級(jí)。
(3)以鋼管混凝土拱橋的橋面標(biāo)高和相鄰吊點(diǎn)的高差作為控制條件,多次加載,分批隔斷鋼絲,將吊桿力轉(zhuǎn)移到兜吊系統(tǒng),并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋面標(biāo)高參數(shù)。
(4)吊桿力轉(zhuǎn)移后,完全割斷舊的吊桿,鑿除封錨上的混凝土,將錨頭和吊桿鋼絲拆除,清理管中混凝土,對(duì)原錨墊板除銹施工,這一過(guò)程中不能損傷拱肋與橫梁結(jié)構(gòu)。取出錨具和鋼絲時(shí),如果需要使用空心鉆孔的方式,建議與設(shè)計(jì)人員相互溝通,合理確定鉆孔的實(shí)際大小和最終鉆取的范圍。
4.3安裝新吊桿的施工技術(shù)
建議使用鋼尺測(cè)量吊桿的上錨固點(diǎn)與下錨固點(diǎn)之間的距離,按照具體錨具的要求區(qū)分拱肋內(nèi)斜高,計(jì)算吊桿下料長(zhǎng)度。要求施工人員根據(jù)吊桿的實(shí)際下料長(zhǎng)度,安裝錨杯,新吊桿運(yùn)輸?shù)戒摴芑炷凉皹驑蛎婧髴?yīng)攤平放置,同時(shí)注意對(duì)PE防護(hù)套與錨頭螺紋處的有效保護(hù)。將新的吊桿以自下向上的方向穿到預(yù)埋鋼管中,然后將吊桿繼續(xù)上提,直到吊桿方便使用卷?yè)P(yáng)機(jī)將下部吊桿穿入預(yù)埋管為止。吊桿穿孔之后,安裝上端錨具,固定后再安裝下端錨具的螺母。
施工人員安裝新吊桿時(shí)還需要張拉調(diào)索,這時(shí)應(yīng)按照安裝順序進(jìn)行張拉桿和千斤頂?shù)陌惭b,張拉吊桿到30MPa時(shí)卸壓,將兜吊系統(tǒng)放松,使其處于不受力狀態(tài)。這一過(guò)程中,建議施工人員保證吊桿的上游與下游可以達(dá)到同步狀態(tài),張拉時(shí)合理控制吊桿力與鋼管混凝土拱橋的橋面標(biāo)高。按照計(jì)算的標(biāo)高進(jìn)行吊桿張拉調(diào)整,將鋼管混凝土拱橋的衡量調(diào)整為設(shè)計(jì)標(biāo)高即可。吊桿更換完成之后,要求施工人員對(duì)該鋼管混凝土拱橋跨吊桿進(jìn)行索力和標(biāo)高調(diào)整,以標(biāo)高的有效控制為主,保證最終鋼管混凝土拱橋能夠同拱跨同,對(duì)吊桿編號(hào)處理,并保證上游索力和下游索力可以達(dá)到一致。在防護(hù)處理過(guò)程中,建議先安裝鋼管混凝土拱橋橋面防水罩和錨頭防護(hù)罩,隨后對(duì)錨頭保護(hù)罩、吊桿錨杯與預(yù)埋管進(jìn)行聚氨酯的填充,使聚氨酯材料在其中起到防腐抗氧化的作用。
4.4其他注意事項(xiàng)
探究中承式鋼管混凝土拱橋吊桿更換施工技術(shù),除了上文提到的吊桿拆除與安裝技術(shù),還包含其他注意事項(xiàng)。具體如下:(1)建議施工單位使用吊桿兩端設(shè)置球絞錨頭的設(shè)計(jì)方案,從而減少對(duì)吊桿系統(tǒng)的不規(guī)則擺動(dòng)約束,增加吊桿系統(tǒng)固有頻率。吊桿的上部減震體和下部減震體應(yīng)使用彈性材料,在保證鋼管混凝土拱橋吊桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí),防止吊桿發(fā)生整體變形。
(2)向上延伸鋼管混凝土拱橋橫梁內(nèi)的預(yù)埋鋼管,延伸到人行道以上20cm處,并安裝防水罩,起到防水防潮的效果。應(yīng)用HDPE保護(hù)套,將其作為吊桿系統(tǒng)的首要防護(hù)層,其質(zhì)量將直接影響到原材料、吊桿成型以及吊桿施工工藝。對(duì)此,建議施工單位選擇高性能的HDPE優(yōu)質(zhì)防護(hù)套,擠塑加工中加強(qiáng)對(duì)該工序的合理控制,運(yùn)輸與施工中做好對(duì)防護(hù)套的保護(hù),避免防護(hù)套受到損壞。
(3)施工中,設(shè)計(jì)單位和施工單位應(yīng)對(duì)拱橋的跨徑、矢跨比、拱軸系數(shù)、主拱肋、拱座尺寸、橫撐形式、拱腳腹桿形式、弦管尺寸等進(jìn)行大量的優(yōu)化工作,實(shí)現(xiàn)了安全美觀、經(jīng)濟(jì)適用的綜合兼顧。
總結(jié):
總而言之,隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,城鄉(xiāng)交通量逐年增大,原有的中承式鋼管混凝土拱橋已經(jīng)出現(xiàn)了不同程度的病害問(wèn)題。面對(duì)交通荷載的不斷增加,人們需要加強(qiáng)對(duì)中承式鋼管混凝土拱橋的維修與養(yǎng)護(hù),通過(guò)更換吊桿,保證吊桿系統(tǒng)穩(wěn)定,做好吊桿拆除與安裝施工工作,實(shí)時(shí)對(duì)相關(guān)參數(shù)加以監(jiān)測(cè)和控制,保障施工質(zhì)量,提高施工效率。
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作者簡(jiǎn)介:
葉智威,1988年12月出生,男,江西撫州人,碩士研究生,工程師,橋梁與隧道工程方向。