某刚性吊杆系杆拱桥病害分析及加固对策研究

毛 铮

(苏州市公路管理处，江苏 苏州 215004)

0 引言

近年来，我国修建了大量拱桥，形式也各有不同，因周围地形特征、桥下净空等限制，大多数拱桥以中、下承式混凝土系杆拱桥为主。系杆拱桥的吊杆体系部分采用了平行钢丝+镦头锚；同时通过在吊杆外增设钢护桶，套管内灌注水泥砂浆对钢丝进行防腐。但早期刚性吊杆的墩头锚，部分采用了非成品件，在现场进行加工，工艺水平较差，在桥梁竣工后10～15年甚至更短的时间内，吊杆即出现了严重的病害。本文以实际工程为例，对系杆拱桥的病害和加固技术进行研究。

1 工程背景

本文以某系杆拱桥为工程背景，该桥于2004年建成通车，主桥跨径为62 m，拱肋和纵梁均采用钢筋混凝土箱型断面，单幅桥共设两排各11根吊杆。桥面系总宽18.1 m，净距为15.5 m。图1为主桥结构立面图。

图1 桥梁结构立面图

本桥上部结构于2015年定期检查中评定为三类，发现吊杆的表观状况较差：其上锚头垫板发生析白，存在一定的安全隐患。2016年对该桥进行了专项检查，主桥技术状况评定为四类。

2 典型病害及其原因分析

2.1 典型病害

2.1.1 上锚头

根据吊杆专项检查结果：抽取的7个吊杆上锚头均存在不同程度病害：封锚填充物存在外鼓、胀裂，打开后内部填充物均为红色黏土砖及水泥砂浆，锚头均浸泡于污水中。锚头内积水及杂物清理后，对墩头进行检查发现，锚头均存在表面浮锈，左幅L-10#吊杆未见6根钢丝墩头，右幅L-4#吊杆未见1根钢丝墩头。

2.1.2 下锚头

打开下锚头封锚处均存在析白、渗水现象，锚头内填充物均为红色黏土砖及水泥砂浆，钢丝墩头均处于潮湿环境中，钢丝墩头及锚具不同程度锈蚀，其中左幅L-10#及L-11#吊杆下锚头锈蚀较为严重。

2.1.3 吊杆内部状况

左幅L-10#、右幅R-11#吊杆打开后内部水泥砂浆密实；右幅R-9#吊杆打开后内部水泥砂浆密实，但原设计为PE护套防护实际施工时采用的塑料波纹管，且管内状况非常潮湿；左幅L-11#吊杆打开后发现内部水泥砂浆松散、潮湿，未发现内部PE护套或波纹管，且吊杆钢丝已经出现表面浮锈。

2.2 病害原因分析

该桥病害的主要原因为施工质量较差，工艺把关不严。具体内容如下所示：

(1)部分吊杆护套内砂浆灌浆不实。

(2)部分吊杆内部未发现内部PE护套或波纹管。

(3)部分锚头墩头工艺质量较差，部分钢丝已滑丝。

(4)锚头封锚未采用设计的50#混凝土，而采用黏土砖加水泥砂浆的方式封锚，在雨水常年侵蚀下，黏土砖体积膨胀、封锚处砂浆胀裂，进而雨水进入上锚头内部，侵蚀整个吊杆体系。

3 加固方案拟定

本桥加固方案的原则主要为以下两点：

(1)消除吊杆结构安全隐患

本桥吊杆内部及锚具内部积水严重，多个锚头存在锈蚀、滑丝现象，部分内部钢丝已出现锈蚀现象，如不及时维修，可能会导致吊杆失效，桥面系坍塌，造成极大的安全隐患，必须尽快消除。

(2)改善结构的耐久性

构件局部露筋、钢筋锈蚀、混凝土保护层过薄等病害，对结构的安全性不会产生直接影响，但其会随着时间的发展逐渐恶化，对结构的耐久性极为不利。

3.1 设计方案

根据桥梁实际情况，对吊杆加固的方案设计提出了两种建议：方案一为全桥吊杆更换；方案二采用对原吊杆进行吊杆除湿防腐处理并增设辅助吊杆的方式。

3.1.1 方案一

鉴于本桥吊杆已使用13年，且所打开锚头、吊杆均存在一定的缺陷，建议全桥吊杆更换，采用新型吊杆体系替换原有吊杆，实施过程中采用临时吊杆体系保障结构安全。

原桥采用DM型钢丝墩头锚固体系，DM5A-90和DM5B-90锚具及其配套设备，索体极限破坏力为2 950 kN，其拱肋内上锚头锚杯内径为φ340 mm，上导管内径φ140 mm，系梁内锚头锚杯内径φ300 mm，下导管内径φ140 mm。目前大多平行钢丝成品索体系中锚头构造尺寸较大，无法直接利用原有预埋钢护筒。目前可在原结构上直接安装的新吊杆体系主要有：

3.1.1.1 挤压锚固钢绞线吊杆体系

挤压锚固钢绞线吊杆体系通过挤压锚固钢绞线的方式，实现锚头结构紧凑，外径小，有利于整体结构的优化、美观。相同承载力的条件下，本体系的锚头尺寸比冷铸锚、热铸锚小30%以上，可使预留孔尺寸减小。钢绞线在索体内隔离防腐，防腐蚀性能优越。

采用拉索型号为GJ15-12，满足JT/T 850-2013中的相关要求，钢绞线的外径为φ15.2 mm，抗拉强度为1 860 MPa，钢绞线束公称截面积A=16.80 cm2，索体单位重16.65 kg/m，索体外径85 mm，公称破断索力3 120 kN(见图2)。

图2 挤压锚固钢绞线拉索三维结构图

3.1.1.2 上下刚性拉杆+平行钢丝体系

上下刚性拉杆+平行钢丝体系在拱肋及系梁内部分为刚拉杆，拉杆直径较小，中间索体采用平行钢丝+冷铸墩头锚成品索，刚拉杆与索体之间采用连接头连接，连接头连接拉杆外螺纹和平行钢丝锚具的外螺纹(见图3)。

图3 上下刚性拉杆+平行钢丝体系示意图

由于上下刚性拉杆+平行钢丝体系整体性不如挤压锚固钢绞线吊杆体系，拉索体系零件较多，管养较为复杂。综合考虑，采用挤压锚固钢绞线吊杆体系。见图4。

图4 临时吊杆系统示意图

3.1.2 方案二

方案二采用对原吊杆进行吊杆除湿防腐处理并增设辅助吊杆的方式，施工主要分辅助吊杆安装及张拉、旧吊杆维修两大步骤。通过对原吊杆除湿防腐处理，增加其耐久性，同时，为增加结构安全系数，增设辅助吊杆作为最后一道“防线”。

3.1.3 方案比选

经过比选，推荐方案一更换吊杆方案。详细比选结果见表1。

表1 方案对比表

3.2 理论计算

根据设计文件和吊杆更换顺序进行仿真分析，采用桥梁专用有限元软件Midas Civil进行计算。其中，系梁、横梁、拱肋和横撑采用梁单元建立，吊杆采用只受拉桁架单元建立，全桥模型见图5。

图5 全桥Midas Civil模型图

3.2.1 新吊杆体系验算

本桥原吊杆为刚性体系，吊杆外套内径φ200 mm、壁厚10 mm的无缝钢管。更换后，在张拉完成后焊接钢管，因此钢管不参与二恒受力，新拉索索力增大。针对该情况的计算结果见表2，在持久状况组合下最大吊杆索力安全系数仍>2.5，说明钢管对拉索内力影响较小。

3.2.2 临时兜吊体系验算

此外，更换吊杆时需要安装临时吊杆，用两根40a槽钢双拼作为临时吊杆系统的锚固横梁和系梁底部的拖梁，用直径32 mm精轧螺纹钢作为临时吊杆。为保证施工的安全需要对临时吊杆进行模拟验算，模拟图和验算结果如图6～7所示。

图6 安装临时吊杆模拟图

(a)临时吊杆上端应力图

(b)临时吊杆下端应力图

由图7可知临时吊杆上端最大应力为84.2 MPa，临时吊杆下端最大应力为83.2 MPa，小于规范要求的限值，满足要求。

3.3 主要施工工艺

在理论计算合理的基础上按照方案一对该系杆拱桥进行吊杆的更换。吊杆更换主要有两点施工工艺：

3.3.1 旧吊杆的拆除工艺

本桥旧吊杆拆除采用分阶段、不等步长的方式拆除各根原有吊杆。本桥原吊杆采用5-90平行钢丝索，索体内部分为5层平行钢丝，由内而外分别为6根、12根、18根、24根及30根，分四阶段逐步切割原钢丝，按照30、24、18、18的工作步长分级割断原吊杆钢丝，张拉临时吊杆和割断原有吊杆内的钢丝。

具体步骤如下：

(1)临时兜吊系统安装就位后，预紧临时吊杆。

(2)沿吊杆高度方向切开原吊杆外全部的钢套管。

(3)按既定方式逐级张拉临时吊杆，并切割旧吊杆钢丝。

(4)拆除系杆顶面至拱肋底面间吊杆。

(5)取下原锚具锚板，保留原锚具锚垫板。

(6)对原锚具锚垫板进行除锈和阻锈处理。

吊杆拆除过程中，以结构变形为主、理论吊杆内力为辅的控制方式，确保旧吊杆拆除过程结构安全。具体思路为：在结构变形未超过理论计算数值或限值的情况下，继续张拉临时吊杆至预定的分步张拉内力；在结构变形超过理论计算值时，停止临时吊杆张拉，待分析原因并确定相应解决措施后继续进行吊杆更换工作。

每级施工完毕后，对控制点位移及临时吊杆内力进行测量，确保控制点位移<3 mm。兜吊系统提梁时保持4台千斤顶行程同步，确保四点受力均匀。

3.3.2 新吊杆安装

新吊杆安装的具体内容如下：

(1)拉索下料施工应在车间内进行，下料过程如发现钢绞线单层护套有破损，应及时修补，严重时应更换钢绞线。下料时应对钢绞线长度随时复查，以确保下料长度准确无误。张拉端PE护套的剥除应使用专用刀具，剥除时不得损伤钢绞线。剥除后使用专用清洗剂清洗两端油脂，清洗时应注意保护钢绞线外的环氧涂层。

(2)在拉索的整个安装过程中，应做到准确下料，做好各部位接头的连接和密封，注意不损伤钢绞线和保护层，确保各级保护的可靠性。

(3)按照计算确定的分级张拉方式，逐步、缓慢张拉新吊杆和卸载临时吊杆，直至临时吊杆将全部吊杆力转移给新吊杆，吊杆内力全部转移后，吊杆超张拉5%，持荷2 min后锚固新吊杆。在此过程中应全程监测更换吊杆处拱肋和系梁标高，确保其变化在设计控制范围之内，并全程监测新吊杆和临时吊杆内力。

(4)新吊杆张拉到位后，拆除上下吊点，对预埋管内灌注防腐油脂，以防渗水和腐蚀。在外部加装锚头罩和防水罩，锚头罩、防水罩和锚垫板应进行防腐处理。

4 结语

国内早期修建的许多系杆拱桥都到了更换吊杆的周期。本文通过对系杆拱桥这一典型病害分析和加固技术的研究，特别是对吊杆专项检测、方案设计、理论验算及施工方案的分析，以期为该桥型的病害处置技术提供一定的理论参考。