某中承式拱橋更換吊桿及增設(shè)縱梁加固設(shè)計

以某中承式拱橋加固設(shè)計為實例，通過更換吊桿及錨頭結(jié)構(gòu)形式，采用環(huán)氧鋼絞線整束擠壓式吊桿，在不擴大拱圈既有孔洞的前提下，完成吊桿承載力提升及吊桿更換；結(jié)合本橋?qū)嶋H情況，優(yōu)化既有加固方法，在盡可能不破壞橫梁的情況下，通過增設(shè)鋼縱梁及兜吊解決舊橋中常見的單吊桿問題，以保證在單根吊桿斷裂情況通行車輛及人群的安全。

拱橋； 更換吊桿； 增設(shè)鋼縱梁； 兜吊； 單吊桿

U445.7+2A

鐵路與公路鐵路與公路

［定稿日期］2023-05-26

［作者簡介］陽瑞（1992—），男，碩士，工程師，主要從事橋梁設(shè)計及橋梁加固設(shè)計工作。

［通信作者］胡濤（1990—），男，碩士，工程師，主要從事橋梁設(shè)計、計算分析工作。

0" 引言

早期中、下承式拱橋由于設(shè)計理念問題，橋面結(jié)構(gòu)大多采用簡支結(jié)構(gòu)并直接設(shè)置于懸吊橫梁上［1］，由于缺乏橫梁間的縱向聯(lián)系，使橋面整體性較差，存在斷索落梁的風(fēng)險［2］，近些年已多次發(fā)生該類型，交通部于2020年12月25日頒布的《公路危舊橋梁改造行動方案的通知》文件中明確指出［3］，該類橋需進行加固設(shè)計，確保在斷索時橋面體系不垮塌。

本文以某既有中承式拱橋為實例，通過對其運營階段存在的兩大主要病害進行加固設(shè)計，該拱橋跨徑為4.95 m+9×6 m+4.95 m，橋梁全寬26 m，拱圈跨徑60 m，矢跨比1/3.8，拱圈為鋼筋混凝土箱型截面，拱圈高1.7 m，寬度2.0 m，總體布置見圖1，該橋橋面均為預(yù)支空心板，其簡支至于橫梁上，修建于2002年，至今已運營20年，期間未進行加固，主要病害：①吊桿保護層破壞較嚴重［4］，上下錨頭有積水且超過吊桿設(shè)計使用年限；②該橋整體性較差，主跨部分未設(shè)計縱梁，橋面板均簡支于吊梁上，吊梁左右側(cè)各設(shè)1根吊桿，任何一根吊桿斷裂，均會引起橋面坍塌，該橋主要病害見圖2。

1" 加固設(shè)計主要思路

本次加固設(shè)計主要思路為：

（1）在不大幅增加結(jié)構(gòu)自重的情況下，增強橋面結(jié)構(gòu)的整體性，采用增設(shè)鋼縱梁的方式使橋面形成縱橫梁一體的結(jié)構(gòu)形式，單根吊桿斷裂后橫梁向下荷載傳至縱梁，然后由其余吊桿進行重新分配，從而保證橋面不致坍塌，有足夠時間保證橋上車輛、行人撤離以及修復(fù)吊桿。

（2）在不對拱肋進行重新開孔的前提下進行更換吊桿，并按照最不利單根吊桿斷裂工況進行選吊桿型。

（3）先進行吊桿更換再進行鋼縱梁及兜吊安裝，鋼縱梁及兜吊在運營階段依然能為橋面提供整體剛度及縱向剛度。

2" 更換吊桿設(shè)計方案

原吊桿為73-7平行鋼絲組成，其破斷力為5 225 kN，在梁端為固定冷鑄鐓頭錨具，拱肋端為張拉冷鑄鐓頭錨具，原吊桿在拱圈及橫梁內(nèi)預(yù)埋管內(nèi)徑為205 mm。

2.1" 新吊桿選擇原則

（1）新?lián)Q吊桿滿足現(xiàn)行JTG/T D65-06-2015《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計規(guī)范》中吊桿安全系數(shù)大于2.5的要求［5］。

（2）新?lián)Q吊桿型號選定時，以單根吊桿力斷裂時全橋其他吊桿的最不利狀態(tài)來進行承載力選擇［6］。

（3）新?lián)Q吊桿上、下導(dǎo)管直徑盡量匹配，盡可能保證不在拱圈內(nèi)擴孔。

（4）新吊桿設(shè)計使用年限仍為20年［7］。

2.2" 吊桿索力計算

通過Midas civil建立全橋有限元模型（圖3），分別模擬在成橋狀態(tài)、運營狀態(tài)、1#、2#、3#吊桿斷裂工況，得到在不同工況下最不利吊桿索力（表1）。

2.3" 吊桿形式選擇

吊桿通常采用環(huán)氧涂層鋼絞線整束擠壓式和環(huán)氧涂層平行鋼絲冷鑄墩頭式，本次設(shè)計分別對其比較并選用更為合適的吊桿形式：

（1）環(huán)氧鋼絞線整束擠壓式吊桿：索體兩端通過擠壓方式與錨具固結(jié)而組成的拉索組件，拉索組件固定于結(jié)構(gòu)中，承受靜、動力荷載。擠壓錨固鋼絞線吊桿包括錨具、防腐鋼絞線、高密度聚乙烯外層HDPE護套等。

（2）環(huán)氧涂層平行鋼絲冷鑄墩頭吊桿：索體兩端通過冷鑄墩頭方與錨具固結(jié)而組成的拉索組件，拉索組件固定于結(jié)構(gòu)中，承受靜、動力荷載。冷鑄墩頭錨固平行鋼絲吊桿包括錨具、防腐平行鋼絲、高密度聚乙烯外層HDPE護套等。索體由若干根環(huán)氧噴涂平行鋼絲組成，整體平行鋼絲兩層護（環(huán)氧涂層+PE護套）。

根據(jù)不同工況下確定的最不利吊桿力，對兩種吊桿形式的吊桿進行型號選擇以及優(yōu)缺點對比，如表2所示。

根據(jù)以上比選，考慮錨具可靠，結(jié)構(gòu)尺寸緊湊，張拉調(diào)索后期更換維修方便，保證不改變原結(jié)構(gòu)預(yù)留孔道尺寸等因素，且環(huán)氧涂層鋼絞線整束擠壓式吊桿結(jié)構(gòu)安全可靠，提高了抗疲勞性，故本吊桿采用環(huán)氧涂層鋼絞線整束擠壓吊桿。

3" 增設(shè)縱梁方案設(shè)計

3.1" 增設(shè)縱梁方案比選

既有拱橋中后期增設(shè)縱梁有很多不同方式，主要為在橫梁下側(cè)增設(shè)縱梁、橫梁之間增設(shè)縱梁、橫梁上方增設(shè)縱梁，根據(jù)不同橋梁結(jié)構(gòu)形式采用不同的設(shè)計方案，如圖4所示。

3.1.1" 方案一

在橫梁下增設(shè)縱梁，并將吊桿下錨點設(shè)置于縱梁上，在縱梁上設(shè)置縱向限位裝置從而保證橫梁不在縱向變形，縱梁橫梁形成一個整體，單根吊桿斷裂時，橫梁荷載直接傳遞至縱

鋼絞線兩端整束擠壓錨固，安全可靠、疲勞性能好；鋼絞線在索體內(nèi)可隔離防腐，每根鋼絞線之間相互隔離，避免了鋼絲束由于一處受腐蝕而整束銹蝕，同時有效的防止微動磨損，增加索體阻尼，提高索體耐疲勞性能，抗震性能好，受力安全性大大提高；螺母承壓面采用了球體形狀裝置，該裝置可方便吊桿拉索的安裝和糾偏；原設(shè)計錨孔孔可利用，施工方便，施工工期快，后期更換維修方便。應(yīng)用實例多，技術(shù)成熟

環(huán)氧涂層比一般的鍍鋅涂層耐久性好，但是鋼絲與鋼絲之間直接接觸，容易引起連貫性腐蝕，拉索振動出現(xiàn)微動磨損，進而導(dǎo)致環(huán)氧層磨損并逐漸露出鋼絲本體，同時微動磨損還會增加索體的額外疲勞；制造索體時需要扭轉(zhuǎn)PE 層和鋼絲形成緊密包裹結(jié)構(gòu)，PE層存在初始應(yīng)力，有開裂隱患；錨頭尺寸較大，需要對原錨孔進行擴孔，同時因為彩虹大橋主橋橫梁有預(yù)埋鋼管，擴孔會破壞原有梁體結(jié)構(gòu)

造價

兩者造價差異不大

鐵路與公路陽瑞， 胡濤： 某中承式拱橋更換吊桿及增設(shè)縱梁加固設(shè)計

梁，并通過其他吊桿重新分配后承擔斷裂吊桿處的豎向荷載。

3.1.2" 方案二

在兩道橫梁之間增設(shè)縱梁，吊桿下錨點設(shè)置于橫梁上，鋼縱梁通過對拉錨栓植入橫梁內(nèi)，保證縱梁與橫梁形成一個整體，單根吊桿斷裂時，橫梁荷載直接通過錨栓傳遞至縱梁，并通過其他吊桿重新分配后承擔斷裂吊桿處的豎向荷載。

3.1.3" 方案三

在橫梁上增設(shè)縱梁，吊桿下錨點設(shè)置于橫梁上，鋼縱梁通過設(shè)置兜吊將橫梁與縱梁連接為整體，并在兜吊上設(shè)置錨栓于橫梁內(nèi)，以加強縱橫梁的整體，單根吊桿斷裂時，橫梁荷載直接通過兜吊傳遞至縱梁上，然后縱梁再將荷載通過其他橫梁傳遞至其他吊桿。

3.1.4" 本次設(shè)計方案

本橋設(shè)計方案采用類似于方案三設(shè)計思路，但又根據(jù)本橋?qū)嶋H情況進行優(yōu)化設(shè)計，其一本次設(shè)計方案中縱梁各節(jié)段之間以及縱梁與兜吊之間均通過螺栓連接，采用螺栓連接方便后續(xù)更換吊桿時兜吊臨時拆除安裝，見圖5；其二兜吊與橫梁之間采用支座進行頂緊，并未采用化學(xué)錨栓與橫梁進行剛接，主要原因為該橋橫梁采用倒梯形截面且橫梁截面較小，同時橫梁內(nèi)設(shè)有預(yù)應(yīng)力，采用化學(xué)錨栓易損害橫梁結(jié)構(gòu)，同時橫梁倒梯形截面與兜吊之間接觸面較小，可設(shè)置化學(xué)錨栓數(shù)量較小，無法達到兜吊與橫梁剛接的需求。

根據(jù)該橋空間情況，鋼縱梁采用兩片焊接工字鋼組成，分別置于吊桿兩側(cè)，兩片工字鋼通過綴板連接，兩片工字鋼中心間距為600 mm；單片工字鋼高900 mm，寬400 mm，如圖6所示；鋼縱梁共分為11個節(jié)段，各個節(jié)段之間通過節(jié)點板采用高強螺栓連接，端部采用化學(xué)錨栓方式與拱肋連接。

兜吊主要作用為將橫梁與縱梁連接成整體，在正常運營狀態(tài)下兜吊不參與結(jié)構(gòu)受力，而當?shù)鯒U斷裂時，兜吊作為縱、橫梁之間的傳力構(gòu)件，通過在橫梁底的支座將豎向荷載傳遞至兜吊，然后兜吊通過高強螺栓將橫梁荷載傳遞至鋼縱梁上。

在每片鋼縱梁下均設(shè)置兜吊，兜吊與鋼縱梁間采用螺栓連接，便于施工及后期更換吊桿。兜吊采用全焊接結(jié)構(gòu)，兜吊高1 764 mm，寬2 660 mm（圖7），材料采用Q355c鋼材。

3.3" 加固完成后運營狀態(tài)

本橋更換吊桿及增設(shè)鋼縱梁已經(jīng)施工完成，現(xiàn)橋梁整體運營良好，且增設(shè)縱梁后對橋梁整體景觀效果影響較小，尤其是增設(shè)縱梁及兜吊后對橋下空間并未有較大影響（圖8）。在施工期間為全封閉狀態(tài)，更換吊桿時未破壞既有橋面鋪裝、防撞護欄等構(gòu)件，更換吊桿及增設(shè)縱梁施工時間為15天。

4" 結(jié)論

（1）本文在橋面不拆除情況下，進行全橋吊桿更換、鋼縱梁及兜吊安裝，現(xiàn)橋梁施工已全部完成，目前運營良好。

（2）本次加固設(shè)計提升了吊桿承載能力，通過更換吊桿錨頭結(jié)構(gòu)形式，在不進行拱圈擴孔情況下完成吊桿施工。

（3）本橋在參考眾多拱橋增設(shè)鋼縱梁實例基礎(chǔ)上，結(jié)合本橋?qū)嶋H情況進行優(yōu)化設(shè)計，以達到最終加固設(shè)計目的，目前該橋已完成荷載試驗，正常通車，該種結(jié)構(gòu)形式可為其他類似橋梁結(jié)構(gòu)加固設(shè)計提供參考。

參考文獻

［1］" 陳寶春，劉君平.世界拱橋建設(shè)與技術(shù)發(fā)展綜述［J］.交通運輸工程學(xué)，2020，20（1）：27－41.

［2］" 蔣超越，李章瑜，陳浩.吊桿拱橋新增加勁縱梁結(jié)構(gòu)形式比選及優(yōu)化設(shè)計［J］.公路交通技術(shù).2021，37（3）：105-109.

［3］" 交辦公路〔2020〕71號，公路危舊橋梁改造行動方案［S］.北京：交通運輸部辦公廳，2020.

［4］" 靳兆鑫，于天來，溫差對系桿拱橋吊桿索力的影響［J］.中外公路，2020，40（1）：148-151.

［5］" 公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計規(guī)范： JTG/T D65-06-2015［S］.成都：四川省交通運輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，2015.

［6］" 周小勇，呂志敏，王加輝，等，支架現(xiàn)澆系桿拱橋吊桿張拉方案優(yōu)化［J］.中外公路，2022，42（2）：125-130.

［7］" 公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范： JTG D60-2015［S］.北京：中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司，2015.