钢管混凝土系杆拱桥吊杆更换预案研究

2013-03-19韦春陆

城市道桥与防洪 2013年5期

韦春陆

（南京市市政设计研究院有限责任公司，江苏南京210008）

0 引言

吊杆是钢管混凝土系杆拱桥的主要受力构件，在其使用年限内，对其养护的好坏直接决定着桥梁的耐久性和安全性能。吊杆在使用年限内突然断裂失效或达到使用年限时进行更换，对桥梁结构在安全和营运方面所产生的影响，是人们在进行此类桥梁养护过程中所必须面对的难题之一，国内也出现了不少此类桥梁因吊杆受力失效而倒塌的事故。此前，位于常州境内的232省道运村运河大桥西半幅因汽车超载而造成桥梁吊杆断裂失效而直接导致桥梁整体结构的突然坍塌；四川省宜宾长江大桥因桥梁结构病害而使吊杆失效倒塌。

目前，国内尚未出台关于该类桥梁完整的设计规范，更无成熟的使用和养护经验可供借鉴。如何对这些已建桥梁进行规范化管理、及时进行吊杆的检查、养护维修及更换工作，最大限度地延长桥梁的使用寿命已成为人们必须面临的新课题。因此，有必要对钢管混凝土系杆拱桥吊杆养护、更换技术进行研究，以便有计划地改善此类桥梁结构的技术状态，确保桥梁的安全运营，最大限度地延长桥梁的使用寿命，提高其社会经济效益。

在国外，特别是英美等西方发达国家，桥梁的养护、健康检测和修补加固在桥梁领域占主导地位，他们投入了大量的人力物力对桥梁的养护和健康检测进行研究，业已形成较完善的桥梁养护制度。特别是大型桥梁，由于其重要地位和复杂的结构受力形式，根据环境条件和结构特点，对每座桥梁都建立了专门的技术档案，养护制度和健康检测体系，以科学的方法准确地把握桥梁的工作状态，对可能出现的隐患及时地预报和评估，及早采取适当的措施避免桥梁的严重损害，延长桥梁的使用寿命，以确保桥梁的安全运营。

1 工程背景

南京栖霞大桥（见图1、图2）位于纬一路上，主桥上部结构为三跨下承式系杆拱桥。计算跨径中跨为86.5 m，边跨为76.5 m，矢跨比为1/4.5，拱轴线形式为二次抛物线。拱肋为钢管混凝土，断面形式为圆端扁形钢管，上部结构为刚性拱刚性梁，横向为两道拱肋，单索面吊杆形式。桥梁吊杆采用φ5高强钢丝组成的平行钢丝索配镦头锚，中跨单侧拱肋设置10对吊杆，边跨单侧设置9对吊杆。

栖霞大桥使用至今已逾十载，桥梁现状病害也较为严重，按公路桥梁养护规范，该桥梁已达到D类桥[1]状况。在进行桥梁消险改造过程中，因钢管系杆拱主桥主要受力构件——吊杆未达到更换要求而未进行换索施工。但吊杆下锚处在运营期间，已出现不同程度的锈蚀现象，桥梁吊杆断裂的可能危害仍然存在。

2 预案研究

2.1 研究目的及方式

该桥在多年运营后，耐久性有较大降低，桥梁在运营阶段多种因素作用下吊杆存在突然断裂的可能性，因此该桥存在一定的安全隐患。

为分析主拱肋吊杆在后期使用过程中出现突然性的断裂破坏或吊杆达到使用年限后对其进行更换时，对桥梁结构的安全性、营运及受力情况所造成的影响，进行更换吊杆的应急预案研究工作，以便桥梁在吊杆出现不同破坏状况时及时应对处置，减小由其带来的社会负面影响和损失。

2.2 研究内容

（1）针对单根吊杆或两根吊杆突然断裂情形，分析桥梁的内力和变形状态，评估断裂事故发生后桥梁结构的安全性。

（2）进行吊杆更换的预案研究，结合桥位与结构的特点，提出单根和多根吊杆更换方案，以及全桥吊杆的更换方案。

2.3 研究方法

为达到上述研究目的，采取模拟吊杆断裂工况的仿真分析方法，步骤如下：

（1）采用刚性支承连续梁法[2]理论，计算得到合理成桥吊杆索力；

（2）采用空间杆系有限元程序建立全桥模型，分析桥梁受力状态；

（3）针对中跨和边跨，分别计算单根吊杆断裂和两根吊杆断裂情况下的桥梁内力、应力及变形，并评价对结构安全性带来的影响；

（4）提出单根吊杆和多根吊杆的更换方案，给出建议性的施工方法与关键措施；

（5）提出全桥吊杆同时更换的方案，给出建议性的施工方法与关键措施。

3 研究结果

针对桥梁运营情况及现状交通状况进行了结构空间的仿真模拟和计算分析，对全桥吊杆在单根断裂、两根断裂的情况下桥梁的安全性进行评估与判断。该桥边跨与中跨吊杆布置见图3、图4所示。

3.1 吊杆断裂状况评价

（1）吊杆内力变化：在桥梁养护情况较好、无其他损伤的情况下，若单根或两根吊杆发生断裂，同侧吊杆的拉力变化值大于对边吊杆的拉力变化值，相邻的两根吊杆的拉力增大值在20%～60%之间，吊杆最大拉应力将远低于抗拉强度设计值，吊杆内力变化能满足承载力要求，不会引起其他吊杆的连锁断裂，也不至于影响整体桥梁结构的安全性。吊杆断裂时吊杆内力变化如表1、表2所列。

表1 单根吊杆断裂同侧吊杆内力变化值一览表

表2 两根吊杆断裂同侧吊杆内力变化值一览表

（2）系梁内力变化：对于中跨，若发生单根吊杆断裂，最不利情况是4号或8号吊杆发生断裂，系梁下缘将出现1 MPa左右拉应力；对于边跨，若单根吊杆断裂，最不利情况是第7号或第9号吊杆断裂，系梁下缘将出现1 MPa左右拉应力。结构均尚未达到开裂破坏状况。

而两根吊杆断裂时，对于中跨若5号和6号或9号和10号吊杆同时断裂，系梁下缘将出现3 MPa左右拉应力。对于边跨若5号和6号或9号和10号吊杆同时断裂，系梁下缘将出现3 MPa左右拉应力。虽然不会引起其他吊杆的断裂，但是会引起吊杆断裂处相应的系梁下缘开裂。

（3）端横梁内力变化：若单根吊杆或双根吊杆断裂，端横梁的弯矩变化值均大于中横梁的弯矩变化值，最大值分别为172 kN·m和499 kN·m，占恒荷载作用下最大弯矩的1.11%和3.2%。

（4）位移变化：若单根吊杆断裂，在各断裂工况下，全桥竖向位移小于3 cm，纵向位移小于2 cm，横向位移小于1 cm。双根吊杆断裂时，在各断裂工况下，全桥竖向位移小于4 cm，纵向位移小于2 cm，横向位移小于1 cm。可见单根吊杆断裂或两根吊杆断裂对全桥变形影响不大。

（5）对比单根吊杆断裂和两根吊杆断裂的分析结果，可知两根吊杆断裂后的结构整体内力状态变化值大于单根吊杆断裂后的整体内力变化值。

3.2 吊杆断裂引起的桥梁耐久性评估

通过研究表明，吊杆断裂时桥梁不会出现连锁现象，桥梁整体性较好，主要受力构件不出现损坏。但是，若出现两根相邻吊杆同时断裂时，系梁构件会出现3 MPa左右的拉应力，可能会出现局部开裂现象及既有裂缝的展开，从而降低了系梁混凝土构件的耐久性与安全性能。因此，应对现有桥梁系梁构件进行裂缝的调查与修复处理，提高桥梁的耐久性与安全性。

4 吊杆更换方案

在吊杆更换的具体方法上，一般需要将被更换吊杆的力转移到临时受力构件上，拆掉旧吊杆，安装新吊杆，再把临时构件上的力转移到新吊杆上来，更换的过程经过两次体系转换，即索力由旧吊杆向临时构件上转移，再由临时构件上向新吊杆上转移，并最终完成吊杆的更换[3]。不同的临时构件需根据地形地貌和结构特点的形式因地制宜地选取。

针对该桥实况，建议对单根吊杆更换选用拱肋兜吊法和临时桁架兜吊法，对多根吊杆和全桥吊杆更换时采用临时托架更换法。