淺談系桿拱的吊桿更換設計與施工

賴永斌，張河錦

（1.中國公路工程咨詢集團有限公司寧波分公司，浙江寧波 315040；2.余姚市交通規劃設計研究院，浙江 寧波 315040）

1 工程概況

某大橋位于杭甬高速公路余姚連接線，中心樁號為K4+250，跨徑布置為10×20 m+61.8 m+43×20 m+61.8 m+5×20 m，全長為1287.64 m為左右幅分離式橋梁，主橋單幅寬度為1.3 m+11.25 m+1.3 m。該橋主橋跨越最良江和姚江，均為凈跨60 m下承式鋼管混凝土系桿拱橋，拱肋采用鋼管混凝土結構，其上共設三道鋼風撐，吊桿采用85φs5的平行鍍鋅高強鋼絲束，間距為4 m，錨頭為DM5A-85墩頭錨。引橋為20 m簡支梁橋。下部結構采用柱式墩，鉆孔灌注樁基礎?，F以單幅單跨60 m系桿拱為例進行系桿拱橋吊桿更換設計與施工的介紹。圖1為拱橋的吊桿編號示意圖。

2 吊桿主要病害

（1）吊桿防護套筒均存在油漆剝落、橫向接縫開裂等病害，多根吊桿套筒存在碰撞痕跡。

（2）吊桿不銹鋼管定位鋼圈銹蝕嚴重，不銹鋼管內積水。

（3）橋面防水罩接縫不嚴，鋼保護罩與防護橡膠接觸的部分已經銹蝕，導管內積水。

（4）吊桿下錨頭檢查，跨最良江主橋及跨姚江主橋部分錨頭出現封閉板銹蝕、錨箱頂面和側面銹蝕、黃油變質、錨杯蓋缺失、基準孔內存水等病害 。

（5）吊桿內鋼絲抽檢的結果顯示，鋼絲均已發生不同程度的銹蝕，部分較為嚴重。

根據檢測顯示該橋主要受力構件均處于正常工作狀態下，但是由于吊桿防護的破損導致了吊桿鋼絲發生了較為嚴重的銹蝕，且該橋已經運營了近10 a，已經進入了吊桿更換期，為了確保大橋的運營安全，對橋梁吊桿進行更換。

3 系桿拱的計算復核

對橋梁進行建模計算，建模采用《橋梁博士3.2》。采用平面桿系單元建立了系桿、吊桿及拱肋單元，通過模擬各個施工階段。最后了解各主要受力構件的強度或應力情況，表1～表3為主要計算結果的摘錄。

表1 拱肋正應力計算一覽表

表2 系桿正應力計算一覽表

表3 吊桿索力計算（僅出示一半吊桿，另一半與之對稱）一覽表

從以上主要計算結果可知，拱肋、系桿、吊桿的受力均能符合相關規范的要求。

4 吊桿更換方案的設計

4.1 新吊桿的選擇

腐蝕是造成吊桿破損失效的最重要原因之一，吊桿的防腐蝕一直是吊桿類拱橋設計、使用過程中應重點關注的問題。吊桿鋼絲銹蝕是造成該橋吊桿更換的主要原因，因此，新更換吊桿宜選用具有良好防腐蝕性能的吊桿。同時受原結構吊桿構造限制，新更換吊桿應采用能通過原有索體導管的構造形式，以減少結構改造工程量。

根據吊桿最不利組合內力，按3倍安全系數計，吊桿索力為2262 kN，小于原有PES5-85吊桿破斷力2528 kN，因此吊桿鋼索選擇以不小于原有吊桿破斷力為原則，新吊桿材料采用OVMGJ15-12鋼絞線整束擠壓拉索，索體采用抗拉標準強度fpk=1860 MPa12根Фs15.2環氧噴涂鋼絞線無粘結筋纏包后熱擠HDPE，破斷索力為3125 kN，安全系數為4.2，錨具采用配套的擠壓吊桿錨具。鋼絞線抗拉標準強度fpk=1860 MPa，斷后伸長率A≥2.7%，錨具效率系數ηa≥95%。為保證吊桿質量，新更換吊桿在工廠加工制作，到現場直接安裝。

4.2 吊桿更換方案的選擇

吊桿的更換驗算主要考慮隨機拆除某根吊桿時，對拱肋、系桿及其余吊桿的內力和應力的影響，隨機拆除某根吊桿，橋梁其余構件是否處于安全工作的狀態。吊桿更換驗算決定了吊桿更換的設計方案，是該項工程的關鍵節點。吊桿更換驗算分別對1#-7#吊桿分別拆除時的工況進行計算，并根據計算結果進行對比分析，尤其是關注拆除N吊桿時，N吊桿鄰近吊桿和N號吊桿處拱肋、系桿的內力變化情況。表4列出拆除吊桿時吊桿內力的變化情況。

表4 吊桿更換模擬計算一覽表（單位：kN）

從表4可以看出，該橋吊桿拆除時，部分節點特別是拆除節點，以及相鄰節點的內力變化遠大于成橋狀態恒載作用下的內力，部分節點接近甚至大于其成橋階段承載能力極限狀態下的最不利組合內力，考慮到更換吊桿時橋梁的結構安全，綜合橋梁的實際情況，該項設計采用設置臨時吊桿的方法進行吊桿更換。

4.3 吊桿更換施工

為保證換索過程中拱肋和橫梁的受力均衡，吊桿更換順序為：橫橋向兩側對稱進行；順橋向由兩端向中間對稱進行，逐根更換。

整個施工過程主要有以下幾個階段：施工準備→新吊桿長度確定、定購→臨時吊桿體系的安裝及張拉（吊桿力的轉移）→舊吊桿的拆除、新吊桿的安裝、張拉→臨時吊桿體系的拆除→安裝防水罩等后續工作。

4.4 吊桿索力的調整

在吊桿更換的過程中，由于結構尺寸、材料彈性模量、索力張拉誤差，以及更換過程中吊桿之間的互相耦合影響，使吊桿索力和橋梁線形與設計值之間不可能完全相符。在吊桿更換完成之后，要再次測量吊桿的索力和橋面標高，如果索力或橋面標高與目標值存在的差距比較大，可能會對今后橋梁的運營產生安全隱患，必須對吊桿索力進行再次調整，使吊桿索力達到設計索力，確保橋梁結構的線形和內力處于最佳狀態。

換索后通過索力調整線形，其索力如表5所列。

5 結語

（1）采用臨時吊桿作為更換方案時，可采用分次張拉臨時吊桿，逐步卸載舊吊桿，并分次割斷吊桿鋼絲的方法進行，在割斷吊桿鋼絲時注意人身安全。

表5 成橋狀態索力分布表（單位：kN）

（2）在對吊桿索力測試時，可采用頻率法進行吊桿索力的測試，但是應注意吊桿長度L與吊桿兩端的邊界條件形式的選擇。一般建議采用錨墊板之間的長度扣除錨杯剛域長度作為吊桿長度，此時取兩端邊界為鉸接形式，此時可以獲得較為精確的索力。

（3）對于雙幅橋梁吊桿更換時，若采用臨時吊桿作為兜吊系統，應考慮左右幅之間是否有足夠的空間設置吊桿。

（4）在兜吊系統的方案設計時應考慮對橋下通航凈空的影響。

（5）吊桿更換應由有相應資質和成熟施工經驗的施工單位來進行施工，并邀請第三方作為監控單位全程監控，對吊桿更換過程采用索力和橋面標高雙控制，二者兼顧，既要保證撓度不允許超過理論計算值，又要保證索力值在設計范圍內。

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