中承式鋼管混凝土拱橋吊桿更換關鍵技術

郭立成， 楊文甫

(1.佛山市路橋建設有限公司，廣東 佛山 528303; 2.廣東盛翔交通工程檢測有限公司，廣東 廣州 511400)

0 引言

拱橋吊桿是將橋面荷載傳遞至拱結構的關鍵受力構件，也是橋梁安全運營的薄弱環(huán)節(jié)。吊桿長期暴露在空氣中，在環(huán)境侵蝕和疲勞荷載作用下，不可能避免地出現(xiàn)結構損傷與性能退化[1]。同時，不斷增加的交通荷載和日益頻繁的超速超載現(xiàn)象又進一步加劇了吊桿惡化速率[2]。近年來，已有多座拱橋出現(xiàn)了由于吊桿銹蝕斷裂造成的橋梁垮塌重大安全事故[3-5]。

吊桿的設計使用年限為20 a[6]，對達到使用年限的吊桿進行更換是保障橋梁結構安全的有效方法之一。而如何有效降低吊桿更換過程對結構的影響，保障吊桿更換完成后結構的受力狀態(tài)不發(fā)生改變，是吊桿更換的關鍵環(huán)節(jié)[7-9]。

以高明大橋為例，介紹了中承式鋼管混凝土拱橋吊桿更換方案、施工技術及施工監(jiān)控技術，為同類橋梁吊桿更換提供參考。

1 工程概況

高明大橋是廣海線西線上橫跨西江的一座特大橋，于1991年11月建成通車。主跨采用2×110 m中承式鋼管混凝土拱橋，橋梁立面布置如圖1所示。主拱肋采用啞鈴型斷面，鋼管壁厚為10 mm，直徑為0.75 m，鋼管間距12.5 m。拱腳段內灌C40混凝土，其他節(jié)段內灌C30混凝土。橋面全寬12.56 m，車行道寬9 m。全橋共設置36根吊桿，吊桿規(guī)格為5-109平行鋼絲索，抗拉標準強度為1 600 MPa。

圖1 橋梁立面布置圖(單位: m)

在 2011年檢測中發(fā)現(xiàn)該橋吊桿索力變化較大。與上一次檢測結果相比，吊桿最大變化幅度達11%。該橋吊桿已服役超過20 a，因此，于2015年對全橋吊桿進行更換。

2 吊桿更換方案

2.1 技術難點

根據(jù)該橋結構特點與環(huán)境限制，該橋吊桿更換面臨以下技術難點：

1)吊桿在拱肋和梁端有預埋鋼管，但管徑較小(內徑100 mm)。由于該橋拱肋安全系數(shù)較低，新吊桿安裝不得在拱肋上擴孔，不得削弱拱肋原結構截面積。橫梁上的預留管道外壁與布設管道兩側的預應力鋼絞線距離僅30 mm，為避免擴孔破壞預應力鋼絞線，亦不能在橫梁上擴孔。

2)根據(jù)航道管理部門規(guī)劃，該航道提升在即，為確保通航及橋梁的安全性，要求新吊桿不得突出梁底，不得壓縮通航凈空。

3)目前市場上公稱破斷索力不小于原吊桿的成品索，其錨頭尺寸均大于原預埋管孔道，無法使用成品索進行更換。只有墩頭錨、夾片錨和鋼拉桿能滿足現(xiàn)有預埋管孔徑要求。但墩頭錨因性能較差，目前市場已經淘汰停產；夾片錨則突出橫梁及拱肋太多，無法滿足通航凈空要求及景觀要求；而鋼拉桿剛度大，不能適應吊桿的縱向擺動，其受力復雜，易產生疲勞破壞。

2.2 新吊桿設計

為解決上述難點，提出了一種鉸接式新型吊桿，其結構如圖2所示。

圖2 鉸接式吊桿結構示意圖(單位： mm)

該鉸接式新型吊桿有如下優(yōu)點：

1)高明大橋為全漂浮體系橋，為滿足吊桿縱向較大位移變化，兩端采用叉耳鉸接，叉耳設置了向心關節(jié)軸承，能提供2°的轉角，可很好地消除轉動引起的應力與變形。由于該種結構體系將吊桿縱向位移引起的吊桿剪切變形轉變?yōu)殇摾瓧U的軸向拉伸，極大地提高了吊桿疲勞壽命。同時，對叉耳局部進行加強，保障結構具有足夠的強度。

2) 拱肋下緣或橫梁上端固定有限位裝置。鋼拉桿受到其他方向的荷載后，首先接觸限位裝置中的緩沖螺母，再將荷載傳遞至剛度較大的拱肋或橫梁上，消除鋼拉桿的變形，確保鋼拉桿承受軸向拉力。

2.3 吊桿更換順序及臨時吊桿張拉力

吊桿更換以盡量不改變結構的受力狀態(tài)、保持橋梁穩(wěn)定性為原則，兼顧施工效率。確定吊桿更換順序為從長吊桿向短吊桿依次對稱進行更換。

采用Midas/Civil建立該橋有限元模型，對吊桿更換全過程進行分析。由于大橋引橋為多跨無鉸拱，出于節(jié)省計算時間考慮，在拱腳的約束中施加橋墩的水平抗推剛度和鄰孔拱圈的抗推剛度，從而考慮連拱效應作用。有限元模型如圖3所示。

圖3 高明大橋有限元模型

主要計算結果如下：

1)恒載作用下，全橋吊桿索力如表1所示。由表1可知，全橋各吊桿索力較為均勻，吊索索力為426.3～434.2 kN。

表1 恒載作用下的吊桿索力編號吊桿索力/kN編號吊桿索力/kN1429.06434.12433.37433.83433.88433.34434.19426.35434.2

2)為避免吊桿更換過程中橋面變形過大而導致開裂，以橋面變形小于5 mm為控制指標，計算臨時吊桿張拉力。通過給臨時吊桿施加不同的初拉力反復迭代計算，據(jù)恒載作用下的吊桿理論索力，將吊桿索力分為4級(每級113 kN)，逐級施加至臨時吊桿，可滿足橋面變形小于5 mm的要求。

3 吊桿更換施工技術

根據(jù)該橋特點，采用臨時兜吊法進行吊桿更換，施工過程主要分為以下幾步：新吊桿的制作與防護→吊桿更換平臺搭建→臨時吊桿體系安裝→兜吊系統(tǒng)預緊→吊桿逐級放張→拆除原吊桿→清理預埋管→新吊桿的安裝與張拉→卸除臨時吊桿→吊桿索力調整→吊桿附件安裝及防護。本文僅針對施工關鍵技術進行介紹。

3.1 吊桿更換操作平臺搭建

吊桿更換施工操作平臺包括2部分，分別位于主拱上端和吊桿下端。主拱上端操作平臺用架管搭設，采用在吊桿旁橋面和人行道搭設臨時支架的方法，主要用于吊桿張拉和新吊桿安裝。吊桿下端操作平臺為施工掛籃，考慮汛期及操作人員安全，掛籃下面用鋼筋和角鋼搭設安全防護架，并在防護架上先鋪設木跳板，然后鋪設圍席進行遮擋，用于安裝下錨頭及安裝張拉設備、張拉吊桿。吊桿更換操作平臺搭建如圖4所示。

a) 橋面支架搭設

b)橋下掛籃安裝

3.2 臨時吊桿體系安裝

首先，按最長位置的臨時吊桿鋼絞線長度進行鋼絞線下料，下料長度14 m，數(shù)量36根，下料后在鋼絞線的一端擠壓P錨。之后，將臨時吊桿鋼絞線運至拱上，從張拉平臺的4個挑梁端上錨固點預留孔穿下，每孔穿1根，由夾片錨進行錨固，下端P錨留平，在上錨點共安裝4臺千斤頂進行臨時吊桿鋼絞線張拉。然后，從橋面安裝轉換梁，要求轉換梁水平，每束臨時吊桿鋼絞線與轉換梁P錨卡接。將托梁放到梁底，用鋼絲繩葫蘆臨時固定。最后將拉桿鋼絞線穿過轉換梁和梁底托梁的預留孔，上下端安裝P錨卡頭。臨時吊桿體系安裝如圖5所示。

a) 臨時吊桿

b)張拉設備

3.3 兜吊系統(tǒng)預緊

兜吊系統(tǒng)組裝完成后，調整轉換梁、托梁位置，安裝好限位裝置，使結構保持可靠連接。預緊調平臨時吊桿鋼絞線。用千斤頂對臨時吊桿鋼絞線進行同步張拉，在張拉時要求對左右及上下游4根臨時吊桿鋼絞線同步進行受力，預緊時張拉油壓控制在5 MPa。對臨時吊桿鋼絞線進行預緊張拉的同時，監(jiān)測橋面標高。橋面標高上下位移不能超過設計要求誤差范圍。

3.4 吊桿逐級放張

采用逐級加載(釋放)內力的方法，將原有吊桿索力逐步轉移到臨時吊桿上，從而可以實現(xiàn)分批帶力剪索(即吊桿鋼絲在受力狀態(tài)下被分批切斷)。在索力轉換全過程中，應注意跟蹤監(jiān)測索力和更換吊桿所在處的橋面撓度變化，觀察橋面有無裂縫產生，同時還應進行鄰近點橋面標高的測量以判斷是否需要調整索力。

3.5 原吊桿的拆除

原吊桿的斷索采用電焊點斷進行，吊桿切斷后，吊桿橫梁內預埋管的清理先用電錘配合自制的加長鉆頭，鑿除護管內水泥砂漿，并隨時清除廢渣。鑿到一定深度(大約20 cm)時，鉆頭方向不好控制，改為人工鑿除，鑿除可以上下進行。

吊桿取出后，用加長的鋼釬鑿除粘附在預埋管內壁的混凝土(均勻的混凝土厚度應為30 mm左右)，然后用鋼刷對導管內側除銹，除銹完畢后刷防銹油漆。

3.6 新吊桿的安裝與張拉

原吊桿預埋管清理完畢后應及時安裝新吊桿。新吊桿上錨頭從鋼管拱預埋管自下而上穿入，下錨頭對準梁端預埋管自上而下穿入。然后，擰緊上端錨頭螺母，在下錨頭處安裝矯正裝置，擰緊下端錨頭螺母。根據(jù)設計要求，調節(jié)螺母位置。其次，安裝吊桿張拉設備，并調整對中。根據(jù)設計張拉索力值、標高控制量對吊桿進行張拉及橋面標高調整。張拉過程中交替逐步放松臨時吊桿。張拉到設計噸位、標高調整合適后，鎖緊螺母，卸除張拉設備。最后，對錨頭進行防水、防腐處理，安裝減振體。

3.7 吊桿索力調整

在全橋吊桿更換完成及橋面系加固完成后，測量全橋吊桿索力和橋面控制點標高。通過計算分析確定吊桿索力和橋面標高是否達到設計要求，如果存在偏差，則需要進一步調整吊桿索力。吊桿索力調整方法與吊桿張拉方法類似。全橋調索完后再測一次索力和標高，作為施工紀錄予以保存。

4 施工監(jiān)控

4.1 監(jiān)測內容

1) 溫度監(jiān)測。橋面標高受溫度的影響較大，根據(jù)吊桿更換前10 d的溫度與橋面線形變化關系，對吊桿更換過程中的橋面標高進行溫度修正。

2) 橋面標高監(jiān)測。在吊桿下吊點橫梁位置布置測釘，采用精密水準儀對吊桿更換過程中橋面標高進行監(jiān)測。測量宜在氣溫相對穩(wěn)定的時段進行。測量時應記錄測時溫度，以便進行溫度修正。力求完工后橋面標高與設計值一致。

3) 吊桿索力監(jiān)測。采用壓力表法對吊桿更換過程中全橋吊桿索力進行監(jiān)測，并采用索力動測儀進行校核。根據(jù)索力等量替換原則，力求完工后新吊桿達到原吊桿的設計索力值。

4.2 控制標準

吊桿更換過程中對吊桿索力及橋面標高進行控制?？刂茦藴蕿榈鯒U索力偏差不超過5%，橋面標高變化量在±5 mm以內。

4.3 監(jiān)控結果分析

以第一跨監(jiān)控結果為例進行計算分析，吊桿更換前后，橋面標高變化量如圖6所示，吊桿索力如圖7所示。

由圖6、圖7可知：

圖6 吊桿更換后的橋面標高變化

a) 上游側吊桿

b) 下游側吊桿

1)吊桿更換前后，橋面標高變化較小，其變化范圍為-2.9～0.9 mm。表明吊桿更換前后，橋面線形基本維持原狀，確保橋面不因吊桿更換引起過大線形變化而損壞。

2)吊桿更換前、后索力變化范圍為2.2～18.9 kN，變化幅度為0.5%～4.4%，滿足控制標準。表明吊桿索力分布均勻，橋梁受力狀態(tài)較好。

5 結語

高明大橋為中承式鋼管混凝土吊桿拱橋，采用臨時兜吊系統(tǒng)對全橋吊桿進行了更換，得到如下結論：

1)針對該橋結構特點與環(huán)境限制，提出了一種新型的可更換鉸接式吊桿。該吊桿可適應較大的縱向位移，極大地提高了新吊桿疲勞壽命。

2)介紹了吊桿更換過程中的關鍵施工技術。通過采用科學、有效的施工方案和合理、高效的施工組織，實現(xiàn)了該橋吊桿的安全、高效更換。

3)在吊桿更換過程中，對橋面標高及吊桿索力進行了嚴格控制。根據(jù)施工監(jiān)控結果，吊桿更換前后，橋面標高變化范圍為-2.9～0.9 mm，索力變化幅度0.5%～4.4%，各項監(jiān)控指標均在控制范圍以內，吊桿更換前后，橋梁狀態(tài)基本維持原狀。