某大跨度钢管混凝土拱桥的吊杆更换

廖刚初,唐咸远

(1.柳州市市政设施维护管理处,广西 柳州 545006;2.广西工学院土木建筑工程系,广西 柳州 545006)

钢管混凝土拱桥为一种梁拱组合体系桥。因其造型美观、造价低廉、施工方便而倍受人们喜爱。这种体系桥最致命的弱点是其横梁直接吊挂在吊杆上,而吊杆多又采用预应力钢丝或钢绞线,依靠钢丝或钢绞线的预应力来抵抗荷载作用。一座桥中哪怕只有少数钢丝断裂都可能造成灾难性的后果。早期钢管混凝土拱桥限于当时的拉索技术工艺水平,其吊杆端部一般只是采用现场灌注水泥砂浆防护钢丝(钢绞线 ),造成该处(特别是下端 )钢丝锈蚀非常严重,往往10年左右就不得不考虑更换吊杆。本文以某城市钢管混凝土拱桥为例,介绍了吊杆状况检测、更换吊杆的设计与施工方法。

1 工程概况

某城市钢管混凝土拱桥于 1995年建成通车,是一座主跨为三孔净跨 108m钢管混凝土拱结构的城市桥梁(图 1)。由于钢管混凝土拱桥在当时是一种较新的桥型结构,且桥的设计、建造年代较早,因而在某些细部的设计理念、施工工艺、工程材料选取上均存在一定局限性。

图1 桥跨布置

2 吊杆检测

为了保证桥梁的正常运营,该桥已经运行了 8年后,在2001年四川宜宾小南门桥事故后全国开展吊杆拱桥检查的背景下,市政设施维护管理处 2002年委托某工程公司进行专项检测。检测的内容主要有:详细检查三根吊杆的钢丝索、锚头;检测全桥吊杆索力;计算全桥的模态。

在详细检查三根吊杆的钢丝索、锚头的情况后发现:吊杆上端锚头锚杯内外均由混凝土充填饱满,钢丝镦头部分无锈蚀;在梁下端锚头附近梁体表面均有长期渗水痕迹,锚头下方有水滴出,打开锚头盖板,均有积水流出,锚杯内钢丝滴水,锚头部分锈蚀严重,钢丝镦头部分有锈蚀;吊杆的PE管均有环向裂缝,吊杆钢丝锈蚀较严重,蜂窝锈坑较普遍。为保证桥梁的结构安全和正常使用,必须对全桥的墩头锚吊杆进行更换并加固桥梁。

3 吊杆更换的设计

2006年 7月开始对该桥进行加固设计工作。主要的设计内容有:人行道更换及伸缩缝的更换;吊杆横梁的加固;吊杆的更换、结构补强。下面重点介绍更换吊杆的设计。

3.1 新更换的钢绞线成品吊杆设计要求

3.1.1 绞线吊杆的设计要求

吊杆预应力钢绞线采用符合(GB/T 5224-2003)标准的高强低松弛钢绞线s15.2,其标准抗拉强度 fpk=1860MPa;单根钢绞线应满足 200万次 837～ 477MPa应力幅疲劳荷载后不断丝的要求;成品吊杆应满足《斜拉桥热挤聚乙烯高强钢丝拉索技术条件》(GB/T 18365-2001)各项指标。

3.1.2 绞线吊杆锚具的设计要求

钢绞线成品吊杆所采用的锚具应满足《预应力筋用锚具、夹具和连接器》(GB/T 14370-2004)I类锚具要求,但应注意疲劳实验应力幅要求提高至 200 MPa;锚固工艺应保证在动载下有可靠的防止松动、滑移的性能;锚具本身以及锚具与索体接头部分应有可靠的防腐措施。

3.1.3 钢绞线吊杆HDPE防护层的设计要求

吊杆 HDPE护套的颜色采用白色,其物理性能及其他各项指标应符合(GB/T 18365-2001)及《建筑缆索用高密度聚乙烯塑料》(CJ/T 3078-1998)的要求。

3.2 新更换的吊杆系统其它设计要点

(1)设计采用吊杆两端均设球铰锚头,以减少吊杆系统摆动约束,增大体系固有频率;与此配合,要求吊杆上下减震体应采用容许有限弹性变形的材料,既要保证足够强度以隔绝吊杆跟外套钢管又要保证吊杆可稍微整体变形;

(2)设计在最短吊杆及相邻吊杆以及最长吊杆锚下预置6组压力传感器,便于长期监测索力并比较索力分配情况;

(3)设计将吊梁内预埋钢管向上延伸至桥面以上 1m以便于防水,并采用局部封闭吊杆处吊梁顶段人行道下空室的方式以进一步利于防水;

(4)要求在每根吊杆的吊梁预埋钢管伸出桥面处增设专门的防水罩。

3.3 更换吊杆的选择

由于桥梁原设计中采用的吊杆为 5-127丝平行钢丝墩头锚吊杆,该吊杆的锚头较小,原设计中的预埋管内孔直径仅为 158mm,且由于在最初施工中各种施工设备及施工经验有欠成熟,导致上下预埋管之间的同轴度偏差比较大。综合考虑各种因素后,该桥的设计采用 OVM.GJ15-19钢绞线整束挤压吊杆作为新吊杆。该型吊杆在满足施工简洁方便的前提下,还增加了安全系数,且作为一种新型的全隔离防腐吊杆,避免了平行钢丝吊杆中的腐蚀扩散性,具有良好的抗腐蚀效果。该型吊杆可以通过上限 0.45σb,应力幅为250MPa的疲劳试验。其锚头外径为 140mm,对于新桥施工可使预埋管尺寸减小,对于旧桥换吊杆施工更能充分保证吊杆的索力满足设计要求。

4 吊杆更换施工

更换吊杆采用拱顶提升平台张拉千斤顶抬升横梁的方案,整个施工过程包括旧吊杆拆除、新吊杆安装、张拉调索、防护处理等四个工序。各工序的具体步骤及注意事项如下。

4.1 旧吊杆的拆除

(1)吊杆的拆除依据对称的原则,从每拱跨两端向跨中交替逐对拆除,每拆除一对旧吊杆,则相应的换上一对新吊杆。从北边第一个拱开始,每个拱吊杆施工顺序 2#※ 8#※3#※7#※ 6#※ 5#※ 1#※ 9#(如图 2)。拆除一根旧索立即换上新吊杆。在拆除吊杆的过程中,应时刻监测桥面的标高,如出现较大的变动应立即停工,待查明原因并确定处理方案后方可继续施工。

图2 吊杆布置

(2)在桥面下横梁的吊杆处组装工作平台,安装好辅助索提升系统中的梁底托架。在组装过程中要注意保持两侧平衡,防止横梁产生倾斜。

(3)在拱肋上安装吊梁提升系统。提升系统由精轧螺纹钢紧固摩擦锚固系统 +辅助索提升系统组成。锚固及提升系统组成构件的安装、焊接要牢固,以避免在张拉辅助索时系统有过大的变形、滑移、倾斜。系统拼装完毕后应按设计吨位进行试张拉。辅助索张拉千斤顶可视更换吊杆的实际施工空间设置在拱顶或桥面处。

(4)辅助索用工具夹片临时锚固并进行单根预紧。为了保证安全,施工单位要经过充分验算吊梁提升系统。

(5)用千斤顶对辅助索进行整体张拉。张拉时要求对上下游辅助索同时同步进行张拉。本阶段应综合实测旧吊杆拉力、吊点的高程变化等参数,实时对设计张拉拉力进行调整。张拉辅助索应分级缓慢进行,要求实时监测横梁吊点处标高,其上下变化值与相邻跨吊点的高程变动差不超过 ±1 cm。设计给出仅在结构自重工况下计算的吊杆力设计值,该值仅供换索时确定张拉力以及换索后成桥各索力调整时参考,换索时应注意综合实际机具及支架的重量并结合实测索力及标高进行调整。

(6)辅助索达到设计拉力后,用切割机在桥面处割断部分旧吊杆钢丝,观测桥面标高变化,在确认兜吊系统承担后割断横梁顶面的旧吊杆。

(7)拆除横梁底锚具。通过拱肋工作平台吊住旧吊杆,割断吊杆上端,将上部吊杆锚具拆除。

(8)清理拱肋上的锚腔以及横梁端部的锚槽。

4.2 新吊杆的安装

(1)用钢尺现场量出吊杆上下锚点的距离,综合考虑设计采用锚具体系的不同要求以及拱肋内斜高的区别,精确计算出各根吊杆实际所需的下料长度。

(2)按实际所需长度对吊杆进行下料并安装锚杯,将新吊杆运至桥面摊开平放。注意对外PE护套以及锚头螺牙的保护。注意吊杆的长度应测量准确,切割平整。

(3)吊装新吊杆由拱肋下方向上穿入孔道中,吊杆穿出后继续上提,直到方便采用卷扬机或手葫芦将下部吊杆纽件从横梁上方穿入横梁孔道内为止。吊杆穿孔完成后先进行上端锚具安装,上端固定后旋紧下端锚具螺帽。

4.3 张拉调索

(1)依次安装好联接套、张拉杆、撑脚、千斤顶,进行张拉预紧。

(2)初张拉吊杆至 30MPa后卸压,放松兜吊系统至不受力状态。张放过程注意上下游吊杆同时同步,在张拉过程中对吊杆索力及标高进行双控,要求桥面标高上下位移不得超过设计允许范围(±1 cm)。放松兜吊系统后实测横梁标高。

(3)根据计算的调整标高值对吊杆再次张拉,将横梁调整到设计标高。

(4)每跨全部吊杆更换完毕后,要根据联测数据确定是否进行吊杆索力调整。调整时按 1/2、1/4、1/8的程序进行,而且 4点同步。为了减少调整步骤和次数,在全桥调整之前应准确测量出该工况下的索力和标高值,以正确指导下一阶段调索的程序和步骤。

(5)新吊杆张拉加载速度一般应小于10MPa/min,直至张拉到设计要求停止,然后拧紧螺帽。

在张拉过程中,读数测量要准确,记录要全面,真实无误。

(6)由于所有 l#、9#短吊杆上下预埋管之间的同轴度偏差比较严重,且拱底至桥面之间的净空很小 ,外露的自由部分最小的只有约 50 cm长,加上人行道 (车行道)距该索处的拱弦顶的距离比较短,不足以采用滑车 +手拉葫芦的兜吊系统施工更换旧吊杆,最终采用了增加扁担梁的方式进行兜吊及体系应力转换,抽取钢丝、钻孔的施工与其他吊杆相似,终于顺利的完成了全部旧吊杆的更换。

4.4 防护处理

新吊杆张拉调节完成后,拆除临时兜吊系统,安装防水装置开始对吊杆进行防护处理:安装吊杆上下端保护罩;向吊杆锚杯及上下端保护罩内灌防腐油脂。

5 小结

在对桥吊杆的更换施工过程中,2#～8#吊杆进行得比较顺利,l#及 9#吊杆由于上、下预埋管的同轴度偏差较大,且拱底与桥面的净空很小,在清理预埋管内混凝土及梁的兜吊上存在一定的施工难度,经过各方的团结努力,按期顺利完成了全部吊杆的更换施工。更换后的新吊杆索体外径为 102 mm,比旧吊杆索体外径 79mm略大,增强了吊杆与桥拱的整体协调性,使桥梁看起来更加美观大方。

[1]陈宝春.钢管混凝土拱桥[M].北京:人民交通出版社,2003

[2]韩林海,杨有福.现代钢管混凝土结构技术[M].北京:中国建筑工业出版社,2004

[3]JTGD62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S]

[4]韦立林,谢开仲,秦荣.钢管混凝土拱桥吊杆索力测试与有限元分析[J].中外公路,2007(2)