如海运河大桥可更换式吊杆体系的设计与分析

姚 波

（江苏省交通规划设计院股份有限公司常州分公司 常州 213000）

对于单孔跨径在200m以上的大跨径桥梁，多采用悬索桥、斜拉桥、悬索斜拉组合式桥、钢桁架拱桥等桥型，造价相对较高，而对于60～200m范围的中长跨径桥梁而言，能够参与竞争的桥型主要是混凝土拱桥和预应力混凝土连续梁桥。从我国近年来在高等级公路上实施的拱桥桥型来看，以中、下承式系杆拱桥居多，因其具有建筑高度小、跨越能力大，对地基承载力要求低、造型美观、造价低等优点而在诸多桥型中备受推崇。

由于我国在中、下承式系杆拱桥的建设起步较晚，经验不足，对此类桥型的设计存在一些问题和薄弱环节，通过对已发生问题桥梁的研究和总结，发现问题大多出现在吊杆上。早期建设的部分系杆拱桥由于设计上对吊杆的防护不足、施工上存在一定缺陷以及运营过程中的人为事故、养护缺乏等因素，造成吊杆存在破损现象，吊杆损坏较严重的桥梁不得不考虑更换吊杆，以保证结构安全。

吊杆是将桥面系荷载传递给拱肋的重要构件，从其受力性质的不同，分为柔性吊杆和刚性吊杆，柔性吊杆为只受拉结构，主要材料为高强钢丝束或钢绞线，外套PE套管。

采用此类型吊杆的系杆拱受力相对复杂，吊杆拉索张拉时，结构应力变化较大，因此施工时索力调整较为困难，此种类型吊杆常用于较大跨径的系杆拱桥。刚性吊杆是可受压结构，吊杆与拱肋（系杆）接点处由于固结通常会存在较小弯矩，因此刚性吊杆一般为偏压构件。刚性吊杆一般由拉索＋外套钢管组成，内部拉索受拉，外部钢管受压。因刚性吊杆内部拉索张拉时，对相邻的吊杆影响较小，因此施工时索力控制较为容易，对分批张拉的顺序要求也不高。此种类型的吊杆通常用于中小跨径的系杆拱桥。

刚性吊杆通常在拉索张拉完成后，在钢管内部灌注水泥浆，以防止钢丝锈蚀。水泥浆凝固后，吊杆拉索和钢管成为一个整体，拉索便不能抽出，今后如需换索，需将整根吊杆更换（包括外部钢管），吊杆拆除更换工作较困难，且更换费用较高。因此，对于刚性吊杆的系杆拱桥，如何使得刚性吊杆在运营后方便换索，是提高桥梁耐久性的关键因素。

因此，我院在如海运河大桥的设计上，为提高桥梁耐久性，便于今后桥梁的养护，对吊杆形式进行了优化，采取了行之有效的可更换式吊杆，从而有效解决了刚性吊杆换索的问题。以下对该桥的设计概况和吊杆的设计形式、性能分析简要介绍。

1 桥梁概况

如海运河大桥是一座下承式系杆拱桥（见图1），主桥采用82.4m钢筋混凝土系杆拱，计算跨径80.3m，主桥过渡墩采用钢筋混凝土矩形实体式桥墩，基础采用钻孔灌注桩。

图1 如海运河大桥近景实照

主桥拱肋截面为工字形，拱肋轴线按二次抛物线变化，矢跨比为1／5；系杆为预应力混凝土箱形截面，截面高度为1.9m，宽度为1.2m；吊杆为刚性吊杆，拉索采用PES（FD）7－37型成品索体，拉索锚具采用与之配套的LZM7－37型冷铸锚。吊杆钢管采用直径×壁厚为245（外）mm×12mm无缝钢管。

2 吊杆构造设计

吊杆构造形式是本桥设计的关键，在本桥最初的设计中，吊杆形式采用的是平行钢丝＋外套钢管的形式，具体为：吊杆拉索采用73φ5消除应力钢丝，外套为直径×壁厚199（内）×10mm无缝钢管，钢管内用C50微膨胀水泥浆充实，吊杆锚具采用DM5A－73墩头锚。见图2。

图2 主桥吊杆构造图

该吊杆基本沿用了早先系杆拱桥较为常用的刚性吊杆构造形式，但在拉索和锚具方面进行了改进。早先的刚性吊杆设计中，拉索材料一般采用钢绞线，锚具形式一般采用夹片式锚具，钢绞线由夹片握裹在锥形锚孔中，被楔紧而锚固。因夹片锚容易滑丝，锚固时对钢绞线还会产生一定损伤，会消弱拉索体系的抗疲劳性能，故目前系杆拱桥设计中已很少采用夹片锚。因此本桥在最初的吊杆设计中，将拉索材料和锚具形式进行了改进，采用了平行钢丝配墩头锚的形式。墩头锚主要是依靠钢丝的墩粗头承压进行锚固，这种锚固形式更为可靠，不滑丝，应力损失小，可保证吊杆的拉索与拱肋、系杆的连接更为牢固，使桥梁更为安全、可靠。

此种形式的吊杆须在钢管内部灌水泥浆充实，主要作用是防止空气与水汽进入钢管内部对钢丝造成锈蚀。一但灌浆后，钢丝、钢管形成一个整体，以后如更换吊杆须将钢丝、钢管全部拆除，对结构受力影响较大，且施工困难，造价高，无形中增加了今后桥梁养护的成本。因此，这种类型的吊杆最大的弊端就是无法换索。

本桥在施工图咨询与审查阶段，较多专家对吊杆形式提出了不同意见和观点，认为设计中应充分考虑吊杆的耐久性和可更换性。结合专家的意见，我院设计人员向拉索锚具生产厂家进行了咨询，了解到目前较为先进的拱桥吊杆体系产品，并结合本桥的特点，对吊杆设计进行了优化调整。优化后的吊杆拉索采用成品拉索，外套钢管，钢管内部不灌浆。具体为：成品拉索型号采用PES（FD）7－37，钢管为直径×壁厚180（外）×8mm无缝热镀锌钢管，吊杆锚具采用更安全可靠的冷铸墩头锚。PES（FD）7－37拉索为低应力防腐索体，该索体采用双层HDPE保护，并在HDPE层之间设置一道隔离层，当吊杆受静荷载作用时，外层HDPE能有效地释放应力，使得外层HDPE始终处于较低应力状态下工作，有效解决HDPE应力开裂问题。同时在索体钢丝内注防腐油脂，全封闭防腐，完全杜绝因毛细作用和意外的进水造成索体钢丝的腐蚀，提高吊杆的耐久性。索体构造见图3。

图3 PES（PD）低应力防腐索体构造图

在保证索体防腐的前提下，吊杆设计中还须考虑钢管的防锈蚀和换索的可行性。吊杆钢管及连接用钢板的防锈是保证系杆拱桥安全良好使用的关键，施工时必须严格遵循有关操作规定进行。设计中要求钢管内外面及钢板外露面均应进行除锈，然后采用热镀锌工艺对钢管内外面及钢板外露面进行镀锌防腐。

对于吊杆换索，考虑到换索的易操作性，设计中将张拉端锚头置于拱肋外侧，外套保护罩，并在罩内填防腐油脂，以防锚具锈蚀。具体构造见图4。

图4 主桥可更换式吊杆构造图

3 吊杆结构分析

在吊杆构造上满足可更换性前提下，设计中对吊杆成桥阶段、运营阶段进行了结构分析，并模拟换索施工阶段对吊杆应力进行计算，以及假设某一吊杆钢管锈蚀无法工作时对桥梁的受力进行验算，确保该形式吊杆的可行性、可靠性和安全性。

3.1 施工及成桥阶段、通车运营阶段吊杆应力验算

设计过程中首先对施工及成桥阶段吊杆拉索及钢管应力进行验算，确定合理的构造尺寸，以保证满足规范要求。桥梁施工完成后即投入运营，因此需对运营通车后，桥梁在汽车荷载作用下的吊杆拉索及钢管应力进行验算。计算结果表明，吊杆钢管及拉索在施工及成桥阶段、桥梁运营阶段均可满足应力要求（限于篇幅计算结果略）。

3.2 吊杆换索验算

桥梁运营后，如某根拉索需要更换，首先需要拆除，即释放需更换吊杆的拉索张拉力，此时，桥梁结构受力会发生变化，应力将重新分配。根据此工况，分别假设8号（中吊杆）和1号（边吊杆）换索进行计算，即验算拆除8号或1号吊杆拉索后，其余吊杆是否满足应力要求。计算结果见表1，表2。

表1 拆除8号吊杆拉索后各吊杆钢管应力值MPa

表2 拆除8号吊杆拉索后其余吊杆拉索应力值 MPa

上述计算结果表明，8号吊杆换索时，7～9号吊杆（自身及相邻吊杆）钢管受影响较大，均出现拉应力，且7号和9号吊杆拉索应力增大，但应力均能满足要求。

与此相同，对拆除1号吊杆拉索后吊杆钢管和其余拉索进行应力验算，计算结果见表3，表4。

表3 拆除1号吊杆拉索后各吊杆钢管应力值 MPa

表4 拆除1号吊杆拉索后其余吊杆拉索应力值 MPa

上述计算结果表明，1号吊杆换索时，1～2号吊杆（自身及相邻吊杆）钢管受影响较大，均出现拉应力，且2号和3号吊杆拉索应力增大，但应力均能满足要求。

此外，同时就以上2种工况对全桥结构进行了分析验算，各项指标均能满足规范要求，限于篇幅，不再展开叙述。

通过上述验算可以看出，成桥后对吊杆拉索进行单根更换，桥梁各构件均可满足受力要求，说明更换吊杆拉索是安全可行的。

3.3 吊杆钢管失效验算

对于系杆拱桥，后期养护是至关重要的，是保证桥梁长期安全运营的关键工作。养护工作的主要内容之一是对桥梁钢构件的防腐，简单讲就是定期除锈涂漆。如养护工作不到位，可能会出现某一吊杆钢管损坏失效，即损坏的吊杆钢管不再参与受力，或吊杆损坏严重需更换，需更换的吊杆钢管拆除后将不再参与受力。模拟此工况，设计中假定将8号吊杆钢管（中吊杆）拆除进行验算。计算结果见表5～表7。

表5 8号吊杆钢管失效后正常使用阶段吊杆钢管应力验算 MPa

表6 8号吊杆钢管失效后正常使用阶段拉索应力验算 MPa

表7 8号吊杆钢管失效成桥阶段拉索应力验算 MPa

上述计算结果表明，当8号吊杆钢管失效或拆除后，相邻两根吊杆钢管（7号和9号）压应力增大，但增幅较小，能够满足应力要求。拉索应力在使用阶段变化不明显，满足应力要求，在成桥阶段可以看出，8号吊杆拉索应力降低30MPa，7号和9号吊杆拉索应力降低5MPa，其余吊杆拉索应力基本不影响。同时，8号吊杆处系杆截面上缘应力在成桥阶段降低0.4MPa，下缘应力增加0.4MPa（正常状态成桥阶段时上、下缘应力分别为8.5MPa和6.9MPa，考虑钢管拆除后上、下缘应力分别为8.1MPa和7.3MPa），说明在正常使用阶段吊杆钢管失效对系杆应力影响不明显。因此可以看出，当一根吊杆钢管失效时，对整个桥梁不会产生太大影响，仍能满足正常使用要求。

3.4 吊杆钢管稳定性验算

吊杆钢管属偏心受压的长细构件，对于此种构件，还需进行结构稳定性验算，以防出现结构失稳破坏的情况。计算结果表明，钢管稳定性安全系数较高，能够满足稳定性要求（计算结果略）。

4 结语

通过上述分析可以看出，对于刚性吊杆的系杆拱桥，采用成品拉索外套空钢管的吊杆体系是切实可行的，这种吊杆体系不仅解决了今后换索的问题，吊杆本身的防腐性能和安全度都得到大幅度的提高，是符合桥梁耐久性设计要求的。

该桥已于2010年11月正式通车，运营至今，结构状况良好。在施工过程中，桥梁监控单位对该桥进行了吊杆更换方法、吊杆更换过程结构受力性能、吊杆可更换构造设计方面的课题研究，通过换索过程的真实模拟操作，也进一步证明了本桥吊杆体系的可更换性。以上介绍较为笼统，抛砖引玉，期望本文所分析的可更换式吊杆体系能对类似桥梁工程的建设提供有益的参考。

［1］ JTGD62－2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［2］ GB 50017－2003钢结构设计规范［S］.北京：中国计划出版社，2003.

［3］ 金成棣.预应力混凝土拱梁组合桥梁设计研究与实践［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［4］ 柳州欧维姆机械股份有限公司.拱桥吊杆系杆体系产品说明［Z］.柳州：柳州欧维姆机械股份有限公司，2007.