浅谈系杆拱的吊杆更换设计与施工

赖永斌，张河锦

（1.中国公路工程咨询集团有限公司宁波分公司，浙江宁波 315040；2.余姚市交通规划设计研究院，浙江 宁波 315040）

1 工程概况

某大桥位于杭甬高速公路余姚连接线，中心桩号为K4+250，跨径布置为10×20 m+61.8 m+43×20 m+61.8 m+5×20 m，全长为1287.64 m为左右幅分离式桥梁，主桥单幅宽度为1.3 m+11.25 m+1.3 m。该桥主桥跨越最良江和姚江，均为净跨60 m下承式钢管混凝土系杆拱桥，拱肋采用钢管混凝土结构，其上共设三道钢风撑，吊杆采用85φs5的平行镀锌高强钢丝束，间距为4 m，锚头为DM5A-85墩头锚。引桥为20 m简支梁桥。下部结构采用柱式墩，钻孔灌注桩基础。现以单幅单跨60 m系杆拱为例进行系杆拱桥吊杆更换设计与施工的介绍。图1为拱桥的吊杆编号示意图。

2 吊杆主要病害

（1）吊杆防护套筒均存在油漆剥落、横向接缝开裂等病害，多根吊杆套筒存在碰撞痕迹。

（2）吊杆不锈钢管定位钢圈锈蚀严重，不锈钢管内积水。

（3）桥面防水罩接缝不严，钢保护罩与防护橡胶接触的部分已经锈蚀，导管内积水。

（4）吊杆下锚头检查，跨最良江主桥及跨姚江主桥部分锚头出现封闭板锈蚀、锚箱顶面和侧面锈蚀、黄油变质、锚杯盖缺失、基准孔内存水等病害 。

（5）吊杆内钢丝抽检的结果显示，钢丝均已发生不同程度的锈蚀，部分较为严重。

根据检测显示该桥主要受力构件均处于正常工作状态下，但是由于吊杆防护的破损导致了吊杆钢丝发生了较为严重的锈蚀，且该桥已经运营了近10 a，已经进入了吊杆更换期，为了确保大桥的运营安全，对桥梁吊杆进行更换。

3 系杆拱的计算复核

对桥梁进行建模计算，建模采用《桥梁博士3.2》。采用平面杆系单元建立了系杆、吊杆及拱肋单元，通过模拟各个施工阶段。最后了解各主要受力构件的强度或应力情况，表1～表3为主要计算结果的摘录。

表1 拱肋正应力计算一览表

表2 系杆正应力计算一览表

表3 吊杆索力计算（仅出示一半吊杆，另一半与之对称）一览表

从以上主要计算结果可知，拱肋、系杆、吊杆的受力均能符合相关规范的要求。

4 吊杆更换方案的设计

4.1 新吊杆的选择

腐蚀是造成吊杆破损失效的最重要原因之一，吊杆的防腐蚀一直是吊杆类拱桥设计、使用过程中应重点关注的问题。吊杆钢丝锈蚀是造成该桥吊杆更换的主要原因，因此，新更换吊杆宜选用具有良好防腐蚀性能的吊杆。同时受原结构吊杆构造限制，新更换吊杆应采用能通过原有索体导管的构造形式，以减少结构改造工程量。

根据吊杆最不利组合内力，按3倍安全系数计，吊杆索力为2262 kN，小于原有PES5-85吊杆破断力2528 kN，因此吊杆钢索选择以不小于原有吊杆破断力为原则，新吊杆材料采用OVMGJ15-12钢绞线整束挤压拉索，索体采用抗拉标准强度fpk=1860 MPa12根Фs15.2环氧喷涂钢绞线无粘结筋缠包后热挤HDPE，破断索力为3125 kN，安全系数为4.2，锚具采用配套的挤压吊杆锚具。钢绞线抗拉标准强度fpk=1860 MPa，断后伸长率A≥2.7%，锚具效率系数ηa≥95%。为保证吊杆质量，新更换吊杆在工厂加工制作，到现场直接安装。

4.2 吊杆更换方案的选择

吊杆的更换验算主要考虑随机拆除某根吊杆时，对拱肋、系杆及其余吊杆的内力和应力的影响，随机拆除某根吊杆，桥梁其余构件是否处于安全工作的状态。吊杆更换验算决定了吊杆更换的设计方案，是该项工程的关键节点。吊杆更换验算分别对1#-7#吊杆分别拆除时的工况进行计算，并根据计算结果进行对比分析，尤其是关注拆除N吊杆时，N吊杆邻近吊杆和N号吊杆处拱肋、系杆的内力变化情况。表4列出拆除吊杆时吊杆内力的变化情况。

表4 吊杆更换模拟计算一览表（单位：kN）

从表4可以看出，该桥吊杆拆除时，部分节点特别是拆除节点，以及相邻节点的内力变化远大于成桥状态恒载作用下的内力，部分节点接近甚至大于其成桥阶段承载能力极限状态下的最不利组合内力，考虑到更换吊杆时桥梁的结构安全，综合桥梁的实际情况，该项设计采用设置临时吊杆的方法进行吊杆更换。

4.3 吊杆更换施工

为保证换索过程中拱肋和横梁的受力均衡，吊杆更换顺序为：横桥向两侧对称进行；顺桥向由两端向中间对称进行，逐根更换。

整个施工过程主要有以下几个阶段：施工准备→新吊杆长度确定、定购→临时吊杆体系的安装及张拉（吊杆力的转移）→旧吊杆的拆除、新吊杆的安装、张拉→临时吊杆体系的拆除→安装防水罩等后续工作。

4.4 吊杆索力的调整

在吊杆更换的过程中，由于结构尺寸、材料弹性模量、索力张拉误差，以及更换过程中吊杆之间的互相耦合影响，使吊杆索力和桥梁线形与设计值之间不可能完全相符。在吊杆更换完成之后，要再次测量吊杆的索力和桥面标高，如果索力或桥面标高与目标值存在的差距比较大，可能会对今后桥梁的运营产生安全隐患，必须对吊杆索力进行再次调整，使吊杆索力达到设计索力，确保桥梁结构的线形和内力处于最佳状态。

换索后通过索力调整线形，其索力如表5所列。

5 结语

（1）采用临时吊杆作为更换方案时，可采用分次张拉临时吊杆，逐步卸载旧吊杆，并分次割断吊杆钢丝的方法进行，在割断吊杆钢丝时注意人身安全。

表5 成桥状态索力分布表（单位：kN）

（2）在对吊杆索力测试时，可采用频率法进行吊杆索力的测试，但是应注意吊杆长度L与吊杆两端的边界条件形式的选择。一般建议采用锚垫板之间的长度扣除锚杯刚域长度作为吊杆长度，此时取两端边界为铰接形式，此时可以获得较为精确的索力。

（3）对于双幅桥梁吊杆更换时，若采用临时吊杆作为兜吊系统，应考虑左右幅之间是否有足够的空间设置吊杆。

（4）在兜吊系统的方案设计时应考虑对桥下通航净空的影响。

（5）吊杆更换应由有相应资质和成熟施工经验的施工单位来进行施工，并邀请第三方作为监控单位全程监控，对吊杆更换过程采用索力和桥面标高双控制，二者兼顾，既要保证挠度不允许超过理论计算值，又要保证索力值在设计范围内。

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