对系杆拱桥刚性吊杆更换的思考

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【摘 要】因无法利用振动法测试刚性吊杆索力，给吊杆更换设计带来一定不确定性。本次通过仿真计算和现场千斤顶张拉综合判定吊杆成桥索力。根据目标索力，按照分批张拉和等效转移原则，利用临时吊杆系统逐根、交叉更换全桥吊杆，取得良好效果。本桥采用钢绞线整束挤压拉索体系吊杆可以极大提高吊杆耐久性，由于挤压钢绞线索体锚头面积较小，不需要调整原先钢丝镦头锚锚端尺寸，给施工带来方便。

【关键词】刚性吊杆；吊杆成桥内力；钢绞线整束挤压拉索；等效替换

Thinking About Rigid Hanger Replacement of the Tied Arch Bridge

XIA Ye-fei

（Jiangsu Province Communications Planning And Design Institude Limited Company， Nanjing Jiangsu 211100，China）

【Abstract】Due to rigid hanger，it is difficult to get cable force by vibration method.Here we use the simulation calculation and jack tension synthetically to get final constant hanger internal force.Then by batch tensioning and equivalent method，we replace successfully all the hanger through help of the temporary suspender system one by one.Furthermore， the steel strand bundle of extruded cables can sovle effectively small size of the hanger anchor head and improve evidently hanger durability .

【Key words】Rigid hanger；The maximal and constant hanger internal force；The steel strand bundle of extruded cables；The equivalent substitution

0 前言

中下承式拱桥因此受力合理，桥面建筑高度低，外形美观，系杆拱还可以做成无推力拱，对基础适应性强，是我国广泛使用的一种桥型。但近些年来陆续出现一些拱桥因吊杆损坏导致桥面甚至全桥突然垮塌，在社会引起极大轰动。由于早期受技术条件的限制，吊杆在防水防腐设计、锚固工艺和施工方面考虑不周，施工较为粗糙，现场监管不严，造成吊杆短期内即锈蚀、钢丝束松弛等病害[1]，严重危及到桥梁的运营安全。为保障桥梁安全，需要尽快进行吊杆更换[2]。本次通过对下承式混凝土系杆拱吊杆检查、分析和更换，给类似该类桥梁吊杆更换提供一些的经验和启发。

1 桥梁概况

某桥建于1999年11月，主桥为56m跨径的系杆拱，主桥桥梁全宽为10.6m，桥面净宽7m，两侧各设1m人行道。主桥采用刚性系杆刚性拱的下承式系杆拱结构，计算跨径为54.2m，矢高10.84m，矢跨比为1/5。拱肋采用高1m，宽0.8m的工字形断面；系杆采用高1.4m，宽0.8m工字形断面；吊杆采用Φ127×5mm钢管，钢管内穿42Φ5mm高强钢丝，钢丝与钢管间填充水泥砂浆，属刚性吊杆。吊杆间距5.42m，全桥共18根吊杆。主桥下部结构主墩采用矩形双柱式桥墩，钻孔灌注桩基础。桥梁技术标准如下：设计荷载：汽车-10级，履-50，人群荷载3.0kN/m2。通航标准：Ⅲ级航道，通航净空50m×7m。桥面布置：1.0m人行道+7m行车道+1.0m人行道。地震烈度：按基本烈度6度设防。

图1 桥梁立面照

图2 桥梁立面图（单位：cm）

2 桥梁病害

2.1 拱肋风撑

拱肋多处露筋，拱肋表面混凝土局部龟裂；拱肋及风撑有水迹，局部白化。2#风撑顶面混凝土局部破损，粗骨料外露；1～4#风撑底部有白化现象。

2.2 吊杆

大部分吊杆底座砼开裂；所有吊杆顶钢垫板涂层局部剥落、锈蚀；部分吊杆拱顶封锚混凝土局部开裂。通过敲击的声音辨别全桥吊杆有8根吊杆钢管内部灌实砂浆不密实。

图3 吊杆底座砼开裂照 图4 吊杆拱顶封锚混凝土开裂

2.3 吊杆锚头检查

抽检南侧1、2#吊杆及北侧8、9#吊杆下锚头，发现锚头内部锚杯螺母表面锈蚀严重，锚头钢垫板表面锈蚀非常严重，钢丝镦头有铁锈，表面氧化皮全面剥离，内部无黄油或者环氧砂浆等防护介质。

图5 吊杆下锚头内部状况 图6 吊杆下锚头内部状况

2.4 系梁及横梁

系梁底面及横梁有水迹，系梁顶面有纵向裂缝，缝宽0.12mm。

2.5 支座

主桥盆式支座顶板、底盆涂层剥落、锈蚀。

2.6 桥面系

桥面铺装病害严重，多处破损、大面积坑槽，桥面纵向、横向开裂，局部磨损严重，粗骨料外露。人行道铺装及护栏多处开裂、破损、露筋，人行道挑梁局部露筋。2～4#墩伸缩缝堵塞、破损、钢板外露。

图7 伸缩缝堵塞、破损照 图8 桥面坑槽照

2.7 评定

根据《公路桥梁技术状况评定标准》（JTG/T H21-2011），主桥系杆拱桥梁技术状况评定等级为3类。

根据病害情况，结合《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21-2011）对桥梁进行承载能力评估。

3 桥梁现承载能力评估

本桥施工阶段采用先梁后拱法进行施工。系梁预制段吊装――系梁拼接――部分横梁吊装拼接――张拉系梁全部预应力――剩余横梁吊装拼接――拱肋及风撑预制段吊装――拱肋及风撑拼接――拱肋支架拆除――吊杆第一次张拉（张拉力110kN）――桥面板及人行道板铺装――吊杆第二次张拉（张拉力240kN）――吊杆第三次张拉（张拉力240kN）――吊杆外套管焊接、灌浆――系梁支架拆除――桥面二期铺装――12年收缩徐变阶段。依据原桥施工阶段，对全桥结构内力进行计算分析。

图9 承载能力评估模型

根据《公路桥涵设计通用规范》（JTJ021-89）及《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTJ023-85）的有关条文规定，计算结果如下：考虑活载增大系数后，吊杆承载能力验算如表1所示。

表1 吊杆应力验算表

由表可见，吊杆最大应力为556.9MPa，小于容许应力576MPa，仍满足原设计规范要求。同理其他构件如拱肋、系梁、横梁均满足原设计规范要求。但考虑吊杆锚头锈蚀明显，吊杆内防腐措施不完善，为保证桥梁全面可靠服务，决定更换全桥吊杆，对其余影响结构耐久性病害一并处理。（表2）

本桥吊杆更换是工作重点，其余维修工艺均为常规工艺，以下主要对吊杆更换方法、原则以及支撑系统进行介绍。

4 解决措施

4.1 吊杆成桥内力判定

由于本桥吊杆为刚性吊杆，吊杆内力只能按照仿真计算推断[3]。吊杆目前内力具有一定不确切性，吊杆更换是本次实施难点。吊杆更换存在较大风险，吊杆更换后须满足设计荷载作用下的相关要求，因此本桥的吊杆更换过程必须有相应的理论计算作为支撑，为吊杆更换施工提供指导。基于仿真分析，目前吊杆成桥状态内力如表3。

表2 桥梁部件维修处理方法

表3 吊杆理论计算成桥状态内力

在前一步理论计算基础上，进一步计算桥梁结构在设计荷载作用下的结构内力、变形等，并根据设计规范进行相关项目的验算，以确定是否有必要对理论成桥吊杆内力进行一定程度的调整，作为本次更换吊杆的目标内力。经计算吊杆成桥内力较为合理，本次不对目前成桥索力进行调整，更换时新吊杆参照本次成桥索力进行张拉。

4.2 吊杆更换过程组织与计算

实际桥梁结构吊杆更换过程中，一般以原吊杆当前内力作为吊杆更换过程中的过渡，即在吊杆更换过程中，首先遵循等效替换的原则更换原桥吊杆，在全桥吊杆更换完毕后，再根据实际各吊杆内力与吊杆更换目标内力的差异，进行必要的调整。

吊杆更换过程的理论计算主要利用原桥理论计算模型，模拟原结构吊杆内力逐渐由原吊杆转移至临时吊杆系统[4]，再由临时吊杆系统逐渐转移至新吊杆的过程，以确保吊杆更换过程中的结构安全和稳定。计算主要解决拆除旧吊杆阶段的临时吊杆的张拉步长、张拉力、张拉新吊杆阶段的临时吊杆的卸载分级问题。

全桥更换工艺组织如下：每次更换1根吊杆，原则上由中间向两边间隔进行，南北两侧拱肋吊杆更换交替进行，即更换顺为：1-52-51-32-31-72-71-42-41-62-61-22-21-82-81-12-11-92-9。新更换吊杆内力原则张拉至原桥成桥吊杆内力，但由于结构各构件相互影响，各吊杆更换时对相邻吊杆均有一定影响，但根据系杆拱桥结构特点，最终吊杆内力变化不会太大，新吊杆更换后全桥内力可通过有限元模型模拟计算以及通过现场测试得到，吊杆内力可通过索力重新调整，以达到更换前吊杆内力状态。吊杆更换时，钢管割断后可利用振动法测量索力，或者通过千斤顶张拉时确定成桥索力，与理论计算值对比，如差别较大需要调整最终成桥索力，然后相应调整张拉时临时吊杆索力和新吊杆张拉索力。（表4）

4.3 新吊杆设计

新吊杆采用钢绞线整束挤压拉索体系，该吊杆防护完善，锚头较小，不需要改造原先锚头尺寸，施工较为方便。本桥吊杆选用的型号为OVM.GJ15-6，吊杆采用全防水结构，钢绞线抗拉强度不小于1860MPa，弹性模量E=（1.9±0.1）×105MPa，索体外径65mm，破断索力1562kN。

表4 吊杆更换顺序

图10 整体挤压式索锚具构造

图11 钢绞线成品索体截面图

4.4 临时吊杆系统设计

本桥跨越航道，一般支架法难以施工。本桥吊杆更换的临时支撑系统拟用临时吊杆，对于临时吊杆系统的设计需要注意临时吊杆本身设计计算，重视拱上支撑平台（三角垫石）的抗滑、承压计算，考虑扁担梁设计计算等。

图12 临时吊杆系统纵向布置

5 结束语

本次通过吊杆更换，根本解决了该桥隐患，提高了结构服役时间。通过本项目实施，对于类似桥梁检查与养护提供一些经验。一方面桥梁管养部门需要建立各类拱桥养护档案，了解吊杆构造，对于存在先天缺陷或者荷载较大桥梁吊杆制定养护计划。检查时需要针对性检查吊杆内部质量缺陷，防止吊杆突然脆断。另一方面，吊杆更换具有很强技术性，成桥吊杆内力是关键数据，管养单位应该严格管理该类桥关键数据，更换时通过理论计算，现场测试或者施工张拉多种手段掌握成桥索力。最后更换施工时需要制定严密更换工艺，并辅以仿真计算，更换时遵循平缓等效替换实现新旧吊杆内力转换，更换后吊杆内力尽量与原桥吊杆内力保持一致，避免影响结构其他构件安全储备。

【参考文献】

[1]谢东，蒋涛，吴习.桥梁缆索的腐蚀与防护探讨[J].全面腐蚀控制，2006，20（5）：26-27.

[2]杨文志.提篮拱桥吊杆更换研究[D].成都：西南交通大学，2008.

[3]冯永冰.下承式系杆拱桥柔性吊杆成桥索力的确定[J].工程技术，2011，24：30-33.

[4]李磊磊.大跨径中承式拱桥吊杆更换理论分析与设计方法研究[D].长安：长安大学，2012.