中承式钢管混凝土拱桥吊杆更换施工技术分析与研究

文/叶智威 深圳市路桥建设集团有限公司 广东深圳 518000

现如今钢管混凝土拱桥在我国广泛应用，中承式与下承式拱桥作为主要的桥型，吊杆是其传力构件，能够为拱桥桥面恒载与活载提供支撑，让拱肋起到作用。随着城乡交通量的增加，很多钢管混凝土拱桥都是早期建设的，这些拱桥的吊杆出现了磨损和腐蚀的问题，不利于拱桥的使用耐久性，也对拱桥的承载能力带来安全隐患。如何正确更换吊杆，保证拱桥结构安全，是本文的重点研究内容。

1、工程概况

以某处桥梁为例，该桥梁的上端为一孔净跨46m的中承式钢管混凝土肋拱，其净矢跨比为三分之一。该处拱桥的拱肋属于明显的二次抛物线，800×14mm钢管内部灌有C30的混凝土，在钢管与混凝土的综合作用下组成了拱桥的拱肋断面。桥面以下使用了 600×8mm钢管下横撑与斜撑，拱桥上使用了Ø700×10mm钢管的上横撑，使拱桥两肋成为了一个整体。钢管混凝土拱桥桥面由现浇钢筋混凝土横梁、纵梁与桥面板组成，吊杆部分属于109丝Ø5的高强度钢丝构成，外部带有PE材料防护。该拱桥的原有设计中，桥台就是重力桥台，荷载为汽-20级、挂-100、人群荷载为每平方米3.5kN。钢管混凝土拱桥的桥面宽为-12+2×0.25防护栏+2×0.8拱肋+2×1.75人行道+2×0.2栏杆=18m，该桥是典型的中承式钢管混凝土拱桥[1]。

2、桥梁检验结果分析

近年来，社会经济的发展使人们的生活水平显著提高，在马路上行驶的车辆越来越多，使该中承式钢管混凝土拱桥承受的交通荷载也在激增，桥梁开始呈现出不同形式的病害现状。为了加强对该钢管混凝土拱桥的受力分析，研究人员对该桥梁的外部情况与内部静动载进行了检测，并得出了检测结果。得知该拱桥的钢管拱肋处出现了明显的锈蚀问题，且拱桥吊杆处已经发生了漏油与渗水现象，桥梁的衡量与纵梁存在不同程度的裂缝，少部分锚头和锚板已经严重锈蚀。在该拱桥的静载测试中，得到的实际测量值已经明显超过了理论值，但是桥梁的动力特性依然在合理范围内，说明该拱桥可以继续使用，但必须以修缮为前提。经过研究与探讨，人们决定首先对钢管混凝土拱桥的吊杆部分进行更换[2]。

3、中承式钢管混凝土拱桥吊杆更换设计

3.1 选择新吊杆

该中承式钢管混凝土拱桥当前使用的吊杆是109丝Ø5的高强度平行钢丝束，墩头锚吊杆，是我国国内大多数拱桥使用的吊杆类型。分析该吊杆的优缺点，具体如下：（1）平行钢丝与墩头锚。优点在于锚具加工十分简单，且锚具尺寸小，回缩量小；缺点是钢丝下料与墩头质量无法得到保证，且防腐能力不理想。（2）平行钢丝与冷铸墩头锚。优点在于其锚固性能较高；缺点为锚头尺寸过大。（3）钢绞线与夹片锚。优点在于防腐性能良好，有着较强的抗震性；缺点为锚头尺寸过大，动荷载下夹片容易发生松动现象。

经过分析与研究，拱桥新吊杆建议使用平行钢丝+冷铸墩头锚，或者是钢绞线整束挤压锚。但是冷铸墩头锚的头部尺寸过大，无法顺利通过钢管混凝土拱桥的拱肋处，不能在横梁预埋钢管内准确通过。对此，经过一致研究，人们决定在本次吊杆更换施工中应用成品形式的钢绞线整束挤压式吊杆。这种吊杆的索体为钢绞线索体，钢绞线的选择有很多，例如光面钢绞线、环氧喷涂钢绞线或者镀锌钢绞线等。图1为该中承式钢管混凝土拱桥新吊杆的构造示意图[3]。

3.2 新吊杆受力分析

为钢管混凝土拱桥选择新吊杆的同时，还要对其受力加以分析，以此保证新吊杆的荷载能力满足当前交通环境下对拱桥的需求。研究人员使用了“桥梁博士3.2.0”软件程序，对该拱桥进行平面模型的建立，并计算桥梁的吊杆力。在模型中，不仅包含拱肋与吊杆，还包含了桥梁衡量自重模拟和栏杆重量模拟。研究人员应用杠杆法对拱桥活载横向分布系数进行计算，并在计算机“Midas2010”应用软件的辅助下完成数据的校对与核算，得出了该大桥结构Midas空间计算模型和乔博士平面计算模型。最终，人们确定选用GJ15-15型号的整束挤压式吊杆，钢绞线横截面积具体为20.85平方厘米。过去拱桥的旧吊杆钢丝束横截面积为21.4平方里面，两个数值相似，相互更换后能够满足钢管混凝土拱桥对吊杆力与应力的需求。

3.3 新吊杆的技术要求

本次钢管混凝土拱桥吊杆更换施工中，钢绞线的应用符合GB/T5224-2003的行业标准，为 s15.2的高强低松弛钢绞线，抗拉强度可以达到1860MPa。对于单根钢绞线，经过测验，可以满足200万次的应力荷载，其应力幅度最大为837MPa，最小为477MPa，在该区间内钢丝不会发生断裂现象。成品GJ15-15吊杆能够满足相关技术指标，钢绞线的成品吊杆锚具也能够满足行业技术指标要求，但疲劳试验应力的幅度应扩大到200MPa，最大限度上保证吊杆更换后拱桥的安全通行。

在可靠的动力荷载下，锚固施工工艺应有效防止其发生滑动，锚具和索体的接头处应做好防腐处理工作，建议施工人员对吊杆与锚固系统进行严谨的疲劳试验，以此了解吊杆和锚固系统的抗疲劳能力。建议在钢绞线吊杆处这年HDPE防护层，并按照《建筑缆索用高密度聚乙烯塑料》的具体要求进行防护层安装。

4、中承式钢管混凝土拱桥吊杆更换施工技术分析

4.1 吊杆更换流程

该中承式钢管混凝土拱桥的吊杆更换中，研究人员决定使用桥梁拱顶提升平台张拉千斤顶的方案，使桥梁横梁顺利提升。该吊杆更换施工中包含了旧吊杆的拆除和新吊杆的安装，也包含张拉调索和相关部位的防护处理工作。分析该钢管混凝土拱桥处的单根吊杆更换施工流程，具体如下：（1）施工准备工作。（2）测量并收集钢管混凝土拱桥的桥面标高和相关参数。（3）安装施工平台、横梁兜吊系统、移动支架、人行道板，提高索体位置，并在该处钻孔施工。（4）抬升横梁，按照测量标高的数据将旧吊杆割断。（5）及时清理锚头与套管，为新吊杆的安装施工奠定基础。（6）安装新吊杆，并调整新吊杆的吊杆力，根据测量标高参数放松兜吊系统。（7）安装防水罩，做好防水处理工作[4]。

图1 中承式钢管混凝土拱桥新吊杆构造示意图

4.2 拆除旧吊杆的施工技术

施工人员对钢管混凝土拱桥进行旧吊杆拆除的时候，应严格最终对称原则，从桥梁每个拱跨的两端处，向跨中间部分逐对拆除。施工人员在拆除一对旧吊杆之后，就应安装一对新吊杆。拆除过程中建议做好桥面标高的实时监测，监测中如果发生较大程度的参数变动，建议立即停止拆除和安装，查清原因之后经过有效的方案处理，再继续拆除旧吊杆。分析钢管混凝土拱桥的旧吊杆拆除施工技术，具体操作如下：

（1）在桥梁拱肋上安装横梁提升系统。该系统安装后，建议施工人员严格按照设计的吨位展开张拉试验，辅助索张拉千斤顶，能够为吊杆的更换提供施工空间，建议将施工空间安排在钢管混凝土拱桥的拱顶位置或桥面位置。施工人员需要通过核算与校验后，以工程施工安全为前提，利用施工机具调整横梁提升系统。与此同时，还应注意锚固的焊接是否会对拱肋处的钢管产生不良影响。

（2）启动横梁提升系统，提升横梁，并同时提升上下游。这一过程中建议施工人员根据实际测量的旧吊杆拉力值，按照吊点处高程变化参数，使张拉拉力的变化和相邻的吊点之间高差处于5mm左右。施工过程中还需要具体考虑机具的荷载情况，根据测量结果从而确定衡量的提升与荷载等级。

（3）以钢管混凝土拱桥的桥面标高和相邻吊点的高差作为控制条件，多次加载，分批隔断钢丝，将吊杆力转移到兜吊系统，并实时监测桥面标高参数。

（4）吊杆力转移后，完全割断旧的吊杆，凿除封锚上的混凝土，将锚头和吊杆钢丝拆除，清理管中混凝土，对原锚垫板除锈施工，这一过程中不能损伤拱肋与横梁结构。取出锚具和钢丝时，如果需要使用空心钻孔的方式，建议与设计人员相互沟通，合理确定钻孔的实际大小和最终钻取的范围。

4.3 安装新吊杆的施工技术

建议使用钢尺测量吊杆的上锚固点与下锚固点之间的距离，按照具体锚具的要求区分拱肋内斜高，计算吊杆下料长度。要求施工人员根据吊杆的实际下料长度，安装锚杯，新吊杆运输到钢管混凝土拱桥桥面后应摊平放置，同时注意对PE防护套与锚头螺纹处的有效保护。将新的吊杆以自下向上的方向穿到预埋钢管中，然后将吊杆继续上提，直到吊杆方便使用卷扬机将下部吊杆穿入预埋管为止。吊杆穿孔之后，安装上端锚具，固定后再安装下端锚具的螺母。

施工人员安装新吊杆时还需要张拉调索，这时应按照安装顺序进行张拉杆和千斤顶的安装，张拉吊杆到30MPa时卸压，将兜吊系统放松，使其处于不受力状态。这一过程中，建议施工人员保证吊杆的上游与下游可以达到同步状态，张拉时合理控制吊杆力与钢管混凝土拱桥的桥面标高。按照计算的标高进行吊杆张拉调整，将钢管混凝土拱桥的衡量调整为设计标高即可。吊杆更换完成之后，要求施工人员对该钢管混凝土拱桥跨吊杆进行索力和标高调整，以标高的有效控制为主，保证最终钢管混凝土拱桥能够同拱跨同，对吊杆编号处理，并保证上游索力和下游索力可以达到一致。在防护处理过程中，建议先安装钢管混凝土拱桥桥面防水罩和锚头防护罩，随后对锚头保护罩、吊杆锚杯与预埋管进行聚氨酯的填充，使聚氨酯材料在其中起到防腐抗氧化的作用。

4.4 其他注意事项

探究中承式钢管混凝土拱桥吊杆更换施工技术，除了上文提到的吊杆拆除与安装技术，还包含其他注意事项。具体如下：（1）建议施工单位使用吊杆两端设置球绞锚头的设计方案，从而减少对吊杆系统的不规则摆动约束，增加吊杆系统固有频率。吊杆的上部减震体和下部减震体应使用弹性材料，在保证钢管混凝土拱桥吊杆结构强度的同时，防止吊杆发生整体变形。

（2）向上延伸钢管混凝土拱桥横梁内的预埋钢管，延伸到人行道以上20cm处，并安装防水罩，起到防水防潮的效果。应用HDPE保护套，将其作为吊杆系统的首要防护层，其质量将直接影响到原材料、吊杆成型以及吊杆施工工艺。对此，建议施工单位选择高性能的HDPE优质防护套，挤塑加工中加强对该工序的合理控制，运输与施工中做好对防护套的保护，避免防护套受到损坏。

（3）施工中，设计单位和施工单位应对拱桥的跨径、矢跨比、拱轴系数、主拱肋、拱座尺寸、横撑形式、拱脚腹杆形式、弦管尺寸等进行大量的优化工作，实现了安全美观、经济适用的综合兼顾。

总结：

总而言之，随着社会经济的发展与科学技术的进步，城乡交通量逐年增大，原有的中承式钢管混凝土拱桥已经出现了不同程度的病害问题。面对交通荷载的不断增加，人们需要加强对中承式钢管混凝土拱桥的维修与养护，通过更换吊杆，保证吊杆系统稳定，做好吊杆拆除与安装施工工作，实时对相关参数加以监测和控制，保障施工质量，提高施工效率。