下承式剛性系桿拱橋吊桿更換方案比選

熊 杰

(中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430052)

1 引 言

在我國目前高速公路、國省干線公路以及城市道路橋梁中，下承式系桿拱橋由于其造型優(yōu)美、建筑高度小、跨越能力大等獨特的結(jié)構(gòu)特性而被廣泛采用。吊桿是系桿拱橋的重要傳力構(gòu)件，對系桿拱橋的運營安全至關(guān)重要。早期建設(shè)的部分系桿拱橋在運營多年后，由于橋梁養(yǎng)護不及時、災害、超載、吊桿或錨具銹蝕等系列原因，造成吊桿安全性能降低，甚至出現(xiàn)橋梁垮塌等安全事故，如2001年宜賓小南門大橋坍塌以及2007年常州運村大橋垮塌等事故均與吊桿相關(guān)。對于系桿拱橋，吊桿更換是該類橋型需要面對的重要問題之一。

以下承式剛性系桿拱橋為研究對象，提出了偏保守的臨時吊桿更換方法；由于該橋采用剛性系桿，系桿本身具有較大的剛度，提出采用無輔助支撐的直接更換方法，并對兩種更換方法進行對比分析，論述兩種方法各自的技術(shù)特點，比選出更佳的吊桿更換方法。

2 工程概況

蘇州市S604省道二干河大橋主橋上部結(jié)構(gòu)采用剛性系桿拱橋，計算跨徑為60 m，拱軸線為二次拋物線，矢跨比為1/5.357 1，矢高11.2。拱肋和系梁均采用箱型截面，拱肋高1.6 m，寬1.3 m，系梁高1.7 m，寬1.3 m，頂板、底板和腹板厚均為0.25 m。系梁至拱腳段時漸變?yōu)楦?.2 m的矩形截面，吊桿間距為5.0 m。橫橋向采用兩片拱肋和系梁組成，凈距為15.5 m，中心距16.8 m，橋面系總寬為18.1 m。兩拱肋之間共用3根高1.4 m，翼寬0.7 m的T形風撐聯(lián)接，系梁橫向之間由端橫梁和中橫梁相連，橫梁間距5.0 m。

管養(yǎng)單位在日常巡查中及定期檢查中發(fā)現(xiàn)，吊桿鋼護筒及上下墊板多處嚴重銹蝕、破損，吊桿內(nèi)部鋼絲滲水，吊桿損傷對橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)造成不利影響，并且會威脅結(jié)構(gòu)安全。為了保證結(jié)構(gòu)安全，恢復結(jié)構(gòu)的設(shè)計內(nèi)力狀態(tài)、變形狀態(tài)，需要對吊桿進行更換。

3 吊桿更換原則

(1)吊桿更換施工過程中結(jié)構(gòu)要安全、可控，不得因為更換吊桿而使橋梁產(chǎn)生結(jié)構(gòu)病害。

(2)吊桿更換完成后，基本不改變橋梁結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀受力狀態(tài)與線形。若需通過調(diào)索使結(jié)構(gòu)內(nèi)力和橋梁線形進入擬定的設(shè)計狀態(tài)，通過調(diào)索后的結(jié)構(gòu)實際內(nèi)力狀態(tài)與結(jié)構(gòu)設(shè)計狀態(tài)應基本相符合。

(3)吊桿更換方案應具有較好的經(jīng)濟性，具有良好可操作性性與可控制性，便于現(xiàn)場實施。

4 吊桿更換方案

基于以上原則，提出采用臨時吊桿法，即采用臨時吊桿進行舊吊桿力與新吊桿力的轉(zhuǎn)換，該法具有廣泛的適用性，是目前系桿拱橋吊桿更換常用的方法之一。考慮該橋系桿采用預應力混凝土箱型結(jié)構(gòu)形式，本身具備較大的抗彎剛度，具有采用無輔助支撐直接更換法的先決條件。

4.1 臨時吊桿更換法

目前，對于系桿拱橋吊桿更換，臨時吊桿法是普遍采用的方法，即在吊桿更換施工過程中采用臨時吊桿替代原有吊桿。臨時吊桿體系由4根精軋螺紋鋼，拱上2根錨固橫梁、系梁底部2根拖梁及相應的錨固構(gòu)件組成，臨時吊桿張拉采用在拱頂張拉。

換吊桿施工過程主要分為臨時吊桿張拉與舊吊桿卸除、新吊桿張拉與臨時吊桿卸載兩大步驟。通過臨時吊桿張拉，原吊桿割除轉(zhuǎn)移原有吊桿內(nèi)力，在新吊桿安裝就位后，通過新吊桿張拉、臨時吊桿卸載將原有吊桿內(nèi)力轉(zhuǎn)移到新吊桿上。吊桿更換施工流程如下。

(1)搭設(shè)工作平臺、安裝臨時吊桿等準備工作，完成系梁、拱肋等標高初始數(shù)據(jù)采集工作；

(2)逐級張拉臨時吊桿，逐級切割舊吊桿鋼絲，在逐級張拉與切割過程中，注意觀察拱肋及系梁標高變化；

(3)舊吊桿切斷后，拆除舊吊桿及其錨固系統(tǒng)，安裝新吊桿及其錨固系統(tǒng)；

(4)分級張拉新吊桿，分級卸載臨時吊桿，以6#吊桿更換為例，在吊桿更換過程中，計算吊桿更換過程中結(jié)構(gòu)應力及位移變化，計算結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 6#吊桿更換過程中對應吊點處拱肋與系桿豎向位移變化曲線

圖2 6#吊桿更換過程中對應吊點處拱肋上緣與系桿下緣應力變化曲線

理論分析結(jié)果表明，采用臨時吊桿法更換6#吊桿，在更換過程中，拱肋及系梁最大位移變化不超過1 mm；拱肋截面上緣以及系桿截面下緣最大應力變化不超過2 MPa，相對于成橋狀態(tài)下結(jié)構(gòu)壓應力儲備，存在較大的安全富裕度。因此，采用臨時吊桿法更換6#吊桿結(jié)構(gòu)始終處于受力安全狀態(tài)，且采用該方法結(jié)構(gòu)安全儲備高，是一種偏保守的更換方法。

4.2 直接更換法

本橋采用剛性系桿拱橋體系，吊桿錨固于系梁桿內(nèi)，由于系梁本身有較大的剛度，則存在直接更換吊桿的可能性。不同于臨時吊桿法，直接更換吊桿方法不需要臨時吊桿等臨時支撐措施，充分利用結(jié)構(gòu)既有承載能力，直接進行舊吊桿拆除與新吊桿安裝，并能夠保證整個更換施工過程結(jié)構(gòu)處于安全可控狀態(tài)。

對于剛性系桿拱橋，單根吊桿直接拆除后，系桿和拱肋在相應拆除吊桿處將產(chǎn)生豎向位移，系桿與拱肋截面將產(chǎn)生拉應力，當拉應力超過結(jié)構(gòu)自身預壓應力后且達到材料抗拉強度，則會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)裂縫引發(fā)結(jié)構(gòu)病害。因此，采用直接更換法給結(jié)構(gòu)帶來的不利影響明顯大于臨時吊桿更換法。采用直接更換法更換吊桿的關(guān)鍵在于控制舊吊桿直接拆除后拱肋和系桿的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)處于安全范圍內(nèi)，必須從理論上論證該方法的適用性，確保更換過程中結(jié)構(gòu)安全。

以6#吊桿更換為例，計算6#吊桿完全拆除后對結(jié)構(gòu)受力性能的影響，計算結(jié)果如圖3～圖5所示。

圖3 6#吊桿拆除對拱肋及系梁變形影響曲線圖

圖4 6#吊桿拆除對拱肋及系梁應力影響曲線圖

圖5 6#吊桿拆除對其余吊桿力影響直方圖

理論分析結(jié)果表明，6#吊桿拆除對拱肋、系梁變形與應力以及吊桿索力變化影響具有以下特點。

(1)6#吊桿拆除后拱肋變形向上、系梁位移向下，且6#吊桿處系梁及拱肋變形最大，系梁最大向下位移約7 mm，系梁相鄰吊點間相對位移變化最大約2 mm，對橋面受力安全影響是可以接受的。

(2)6#吊桿拆除后對其鄰近吊桿力的影響較大，遠離6#吊桿的吊桿力影響較小。經(jīng)計算，成橋狀態(tài)下5#、7#吊桿力為850 kN，6#吊桿拆除后，吊桿力增加至1100 kN，增幅為29%，吊桿力仍處于安全范圍內(nèi)。

(3)6#吊桿拆除后，對應吊點拱肋截面上緣以及系梁截面下緣將產(chǎn)生拉應力，且該處產(chǎn)生拉應力最大，遠離拆除吊桿拱肋及系梁應力變化較小，6#吊桿拆除對該處拱肋截面上緣以及系梁截面下緣受力影響最不利，其中，拱肋最大應力變化為4.54 MPa，系梁最大應力變化3.95 MPa。經(jīng)計算，成橋狀態(tài)下6#吊桿處拱上緣壓應力為8.63 MPa，6#吊桿處系梁壓應力為4.15 MPa。因此，6#吊桿拆除引起拱肋及系梁截面拉應力均小于截面本身壓應力儲備，截面仍處于受壓狀態(tài)。因此，采用直接更換法更換6#吊桿在受力上是安全可行的。

4.3 方案比選

采用臨時吊桿法與直接更換法相比，在結(jié)構(gòu)受力特性上，采用臨時吊桿法對結(jié)構(gòu)的受力影響很小，更換過程中施工控制難度低，結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)更安全。采用直接更換法拆除6#吊桿后，對結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生一定不利影響，但最不利截面仍處于受壓狀態(tài)，結(jié)構(gòu)受力仍處于安全可控狀態(tài)。在施工工藝上，采用臨時吊桿法需要設(shè)置臨時吊桿以及在拱頂設(shè)置三角墊塊等輔助措施，施工工藝較繁瑣；而采用直接更換無需設(shè)置臨時吊桿及三角墊塊等，直接切斷舊吊桿安裝新吊桿，施工方便快捷，對于大規(guī)模吊桿更換，該方法可顯著減少工期，降低施工成本，具有顯著的經(jīng)濟性。因此，在安全性能夠得到保證的前提下，該橋采用直接更換法可作為吊桿更換更佳的選擇。

5 結(jié) 論

就下承式剛性系桿拱橋吊桿更換提出臨時吊桿法與直接更換法兩種方法，并作出對比分析，主要得出以下結(jié)論。

該橋采用臨時吊桿法進行吊桿更換，吊桿更換過程對結(jié)構(gòu)受力性能影響較小，且結(jié)構(gòu)存在較大的安全富裕度，安全可靠，但在施工工藝上需要設(shè)置臨時吊桿等輔助措施，是一種偏保守的更換方法。

該橋采用直接更換法進行吊桿更換，吊桿更換過程對結(jié)構(gòu)帶來的不利影響要大于臨時吊桿法，6#吊桿拆除后，拱肋以及系梁最不利截面仍處于受壓狀態(tài)，在結(jié)構(gòu)受力方面，采用直接更換法是切實可行的。

直接更換法在施工工藝方面，無需設(shè)置臨時輔助設(shè)施，施工工藝簡單，方便快捷，具有顯著的經(jīng)濟性，對于該橋吊桿更換是一種更佳的更換方案。

采用直接更換法進行吊桿更換的關(guān)鍵在于控制舊吊桿拆除后結(jié)構(gòu)受力處于安全范圍內(nèi)，該方法是合理可行的，取得的效果十分明顯，對于其他類似橋梁可借鑒參考。