桥面支撑法拱桥吊杆更换关键技术研究

2021-11-08贾迪斐石恩岭

公路交通技术 2021年5期

贾迪斐，石恩岭

(1.重庆市江北区市政设施管理所，重庆 400023； 2.重庆交通大学，重庆 400074)

拱桥是我国桥梁工程中常用的一种桥梁类型，吊杆在拱桥发展史中的应用从上承式拱桥逐步发展为中承式拱桥和下承式拱桥，在我国公路和城市桥梁中应用广泛[1]。吊杆拱桥的发展不仅提高了拱桥的跨越能力，还提高了桥下净空的范围。尤其吊杆在下承式拱桥中桥面系通过吊杆悬挂在拱肋下[2]，承担了主跨大部分的推力，是下承式拱桥中重要的结构之一，因此吊杆是否受力安全对整个桥梁的安全起着非常重要的作用[3]。

早期大多拱桥桥面系多采用以横梁受力为主的结构体系[4]，短吊杆断裂导致桥面塌陷事故屡有发生。根据国内工程经验，拱桥吊杆平均寿命约为15年[5]，拱桥吊杆在正常的运营过程中，承受来自车辆的反复疲劳荷载及外界环境对锚具的侵蚀，致使吊杆发生损伤或破断，造成巨大损失[6]。目前吊杆更换基本采用设置临时替代系统[7]，本文以西安广运大桥为例，介绍了吊杆更换方案和基于Midas的结构验算结果，供同类型拱桥吊杆更换参考。

1 工程概况

西安广运大桥位于西安市东三环上，2007年8月建成通车，至今已运营14年。该桥主线桥梁全长837 m，辅道桥桥梁全长504 m。主线桥桥面宽度为2×16.5 m，分为左右(东西向)半幅分修；辅道桥桥宽12.0 m，由防撞墙0.5 m+行车道8 m+人行道3.5 m组成。桥型布置如图1、图2所示。

单位：cm

该桥主桥桥跨为(2×50+80+2×50)m下承式钢管混凝土拱梁组合体系，拱轴线采用二次抛物线，矢跨比为1/4。80 m跨拱计算跨径为76.4 m，拱肋采用哑铃形断面，上下主弦管采用Φ900×16 mm钢管，中间设缀板连接，缀板采用16 mm厚钢板。50 m跨拱采用单根Φ900×16 mm钢管。

吊杆采用热聚乙烯拉索结构，钢丝为Φ7 mm消除应力镀锌高强钢丝束。每个吊杆内设61根钢丝，标准强度为1 670 MPa。顺桥向吊杆间距5 m，其中80 m跨设13对吊杆，50 m跨设7对吊杆。吊杆锚具采用冷铸镦头锚，设上下锚箱，分别与拱肋下部和系梁顶部连接，上下锚箱分别设2块26 mm厚钢板作为主受力结构。拱肋处吊点为固定端，张拉端设在纵梁下部，在纵梁内预埋Φ190 mm钢管形成管道，张拉时通过预留孔道从纵梁下部传入传力杆与锚杯连接。

根据现场检测，吊杆除个别下锚头外侧钢板的螺栓存在锈蚀严重且滑丝现象导致无法打开外，大部分吊杆下锚头基本都存在锚杯内有锈斑、螺纹锈迹等现象，个别锚杯内存在水滴，其中检测单位抽选了16根吊杆进行了除锈。除锈后检查发现，吊杆锚杯内均未发现明显锈坑。全桥吊杆PE保护套存在20处损伤，2处开窗修补橡胶开裂、脱落，1处老化变色。经专家会议研究，决定对病害严重吊杆进行更换。

2 吊杆更换

2.1 吊杆更换原则和吊杆编号原则

吊杆更换时要受到一些结构方面的限制，应该遵循如下原则：

1) 吊杆更换前后保持原结构受力状态不变，保证桥梁既有状态结构的安全运营。

2) 更换吊杆时必须保证桥梁整体结构安全，施工时避免对主拱圈和吊杆横梁、纵梁等构件造成不必要损伤，更换吊杆后桥梁仍能满足设计要求和运营要求。

3) 更换吊杆时尽量选择温差变化较小的季节施工，应减少工序，缩短工期，尽量减小对交通的影响。

4) 新吊杆设计应考虑吊杆再次更换的可能性，采用可更换式吊杆。

5) 吊杆更换方案应具有较好的经济性和可行性，需采用成熟的施工技术和施工工艺，切实保证工程的安全和质量[8]。

该桥纵桥向共有4个拱肋，单个拱肋上设计有41根吊杆，共设置164根吊杆；吊杆编号由北向南(纵桥向)依次为1～5号拱，从东至西(横桥向)分别为A、B、C、D拱肋，桥梁起始方向吊杆标号为1。例如，第1跨东幅东侧第1根吊杆的编号为1A-1。单个拱肋吊杆立面布置和拱肋平面布置如图3、图4所示。

单位：cm

2.2 更换吊杆施工方案

根据专家研究讨论，提出了2种吊杆更换范围。由于工期较紧，加之工程自身特点，需从施工、设计等多方面进行控制[9]，2种方案主要内容如下：

1) 桥面支撑法。在需要更换吊杆处的横梁上方设置临时钢支架，根据吊杆间距，用贝雷梁或万能杆件制作钢桁梁，支撑于桥面上所更换吊杆相邻前后2根吊杆的横梁处。在钢桁架中间部位设置精轧螺纹钢筋作为临时吊杆，吊杆设置于横向2片桁架之间，每根吊杆处设置相应的千斤顶，由钢支架来支承旧吊杆的索力，并将更换处吊杆索力通过贝雷梁转移到相邻的2根吊杆上[10]。桥面支撑法示意如图5所示。

2) 临时兜吊法。该法采用临时兜吊系统来承受吊杆索力。在要更换吊杆处的拱肋上设置临时钢横梁，同时在系梁下面对应位置设置2根钢横梁，由4根临时吊杆穿过钢横梁组成临时吊杆体系[11]。当临时吊杆体系受桥面空间限制时，可在桥面处设置上托梁(转换梁)，将临时吊杆力横向转移到拉杆受力位置，转换梁高度应能满足拱脚最短吊杆狭小位置空间安装[12]。然后通过梁底托梁将拉杆力过渡到梁底。临时兜吊法示意如图6所示。

2个方案均为成熟施工工艺，考虑到广运大桥位于城市快速通道，车流量大，交通组织困难，社会影响大且广运大桥吊杆整体性能良好。为确保更换过程安全、可靠，通过比选，本桥采用桥面支撑法为施工推荐方案。

单位：cm

3 模型计算

广运大桥采用桥面支撑法更换吊杆，通过Midas Civil 2020软件建立广运大桥的有限元模型，对更换吊杆时主要构件的强度和加固后吊杆承载力进行验算。由于该桥在顺桥向和横桥向都是对称的布设，因此只选取左幅进行计算。

1) 全桥模型建立。广运大桥主拱圈截面采用钢管混凝土哑铃形组合截面，材料采用钢管混凝土组合材料，计算模型共1 396个节点，1 666个单元。桥梁拱圈、横撑、斜撑、纵梁及横梁采用梁单元，吊杆采用桁架单元[13]。计算模型如图7所示。

图7 左幅主拱跨圈计算模型

2) 原桥主跨结构验算分析。对主跨钢管混凝土主拱圈的拱脚、L/8、L/4、3L/8以及L/2截面进行强度验算，主拱圈承载能力验算结果如表1所示。由表1可知，主跨拱圈最小安全系数为1.37，位于弯矩最大工况下的L/2截面，拱圈承载力满足规范要求。主跨拱圈最大竖向位移为5.41 cm，其中上挠值为1.48 cm，下挠值为3.93 cm，小于规范限定值9.55 cm，主拱圈位移满足规范要求。

表1 主拱圈承载能力验算

纵梁由于上游侧、下游侧系杆纵梁的构造尺寸、配筋和配束完全一致，故只提取模型中下游侧纵梁的弯矩、剪力包络及抗力。经计算，纵梁抗弯承载力最小安全系数为1.97，抗剪承载力最小安全系数为1.72，纵梁承载力满足规范要求。全桥横梁的构造尺寸和配筋与配束完全一致，提取模型中吊杆力最大处横梁的弯矩、剪力包络及抗力。经计算，横梁抗弯承载力最小安全系数为1.44，抗剪承载力最小安全系数为1.32，横梁承载力满足规范要求。

3) 吊杆更换时计算分析。为防止更换过程中桥面会产生大面积的开裂，吊杆更换施工需要分阶段交替进行。通过Midas Civil软件求得施工阶段吊杆索力的变化，为施工提供理论根据。广运桥主跨拱圈上游、下游两侧拱肋各有13根吊杆，吊杆编号从拱脚开始，吊杆在横桥向、顺桥向均为关于中心线对称布置。吊杆力关于中间吊杆7呈对称分布，故只提取主拱圈下游侧吊杆1～吊杆7的内力进行验算，经计算主跨拱圈吊杆最小安全系数为2.72。

更换吊杆施工阶段验算，取3B-1、3B-7和1B-1(编号见2.1吊杆编号原则)共计3根代表性吊杆，对采用桥面支撑法施工过程中更换吊杆的相邻吊杆进行安全系数计算。更换吊杆时，其内力由相邻吊杆承担，针对吊杆更换期间的内力变化进行计算，结果如图8、图9所示。更换吊杆时纵梁、横梁承载能力安全系数汇总如表2、表3所示。根据模型计算，更换主跨拱圈长、短吊杆和引跨拱圈短吊杆时，吊杆承载力最小安全系数为2.02，满足规范要求安全系数为2.0。

单位：kN

表2 更换吊杆时纵梁承载能力及安全系数汇总

表3 更换吊杆时横梁承载能力及安全系数汇总

纵梁和横梁是桥梁的重要构件，按照规范要求验算。由于上游侧、下游侧吊杆纵梁的构造尺寸、配筋与配束完全一致，故只提取模型中下游侧纵梁的弯矩、剪力包络及抗力。由表2、表3可知，在更换吊杆期间，纵梁抗弯承载力最小安全系数为1.62，抗剪承载力最小安全系数为2.79。对更换吊杆处及相邻的3根横梁进行结构验算，在更换吊杆期间，横梁抗弯承载力最小安全系数为1.68，抗剪承载力最小安全系数为1.77，均满足规范要求。

4) 加固后计算分析。吊杆在运营期间始终处于高应力状态，考虑到目前车辆轴载较通车时增量较大，本次新制的短吊杆承载能力较原吊杆承载能力略微提高。为尽可能减小对原桥结构影响，进一步提高短吊杆的安全储备，新吊杆钢丝采用EPES7-61，钢丝标准强度1 770 MPa，锚具仍采用冷铸镦头锚型号为LMEPES7-61，吊杆破断索力4 180 kN(原吊杆破断力3 920 kN)。加固后吊杆承载能力安全系数如表4所示。由表4可知，已更换吊杆的最小安全系数为2.78，未更换吊杆的最小安全系数为2.54，均满足规范要求。

表4 加固后吊杆承载能力安全系数

4 施工监控

吊杆更换施工过程中需进行施工监控，尽可能使桥跨结构的内力和线形接近或达到设计预期值[14]。在吊杆更换及安装加劲钢桁架施工全过程中，对桥面线形、拱肋线形、吊杆索力、拱肋应力、横梁应力进行监测[15]，若发现变形过大或应力变化过大，需及时与设计方联系。更换吊杆施工监控过程中采用线形和索力双控，以线形控制为主，吊杆内力控制为辅。此次施工监控控制原则如下：

1) 同时满足桥面标高前后一致，新旧吊杆索力等值的原则进行施工监控。

2) 吊杆更换过程中，监测索力转换及相邻索力变化情况，施工过程中吊杆最小理论索力安全系数为2.0；监测横梁应力变化情况，施工过程中横梁应力变化幅值控制在2.0 MPa以内，桥面高程变化幅值控制在10 mm以内。

3) 吊杆更换前后，吊杆索力及横梁应力保持前后一致，误差控制在5%以内；桥面高程差控制在5 mm以内。