飞燕式系杆拱桥的系杆更换方案探讨

李宇 彭世恩 林桂萍

摘要：以一座主跨202 m的飞燕式系杆拱桥为研究对象，对该桥的系杆更换措施提出了几种方案，比较其优缺点，确定了最优的设计方案，对系杆拱桥的系杆更换设计和施工有一定的参考价值。

[作者简介]李宇（1973—），男，硕士，高级工程师，主要从事公路工程设计与管理。

系杆拱桥是由拱、系杆、吊杆和桥面系梁板等协同工作的组合结构体系，以系杆（或系梁）承受拱脚的水平推力为主要特征大跨度桥梁形式。由于其桥梁形式优美，经济性较好，所以20世纪90年代得到了快速发展和广泛应用。对于初期建设的大跨系杆拱桥，系杆作为永久性结构构件，一般采用系杆箱内填塞沥青麻絮和黄油等防腐后外包混凝土结构形式，大多未考虑到后期系杆受力检测和更换需要。在后期桥梁运营过程中，由于系杆自身防护不足引起索体出现不同程度的损伤和破坏现象时有发生，同时根据现行规范JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》1.0.4条中，将桥梁斜拉索、吊杆、系杆等的设计使用年限规定为20年，系杆在出现病害或达到使用年限后需更换系杆或对系杆补强，以保证桥梁结构运营安全。

1 工程概况

该桥主桥为飞燕式无推力中承式钢管混凝土系杆拱桥，其主孔跨布置为（46+202+46） m，全桥总长544.7 m。桥面布置为4×3.75 m（行车道）+2×3.0 m（非机动车道及人行道），主桥宽26.2 m，引桥宽22.5 m。设计荷载标准：汽-20级，挂-100，于1998年建成通车。桥梁现状照片如图1所示。

2015年对该桥进行了全面的适应性评定检测，在对系杆箱开箱检查中发现系杆锈蚀、一根钢绞线断裂等病害，此病害威胁到桥梁结构安全运营，考虑到桥梁系杆已达到20年的设计年限，桥梁将面临拆除重建及系杆更换两难选择，经综合评估，最终选择系杆更换作为论证方向。

2 更换系杆方案设计

原系杆（16对18根高强低松弛钢绞线）锚固在边拱肋上，锚固长度达16.8 m，系永久性构件，采用的原系杆锚固段布置及系杆横断面如图2、图3所示。

针对本桥现状，结合计算分析，并充分讨论，对系杆更换提出了3种方案：

（1）方案一：在系杆拱脚位置增设临时系杆将拱脚水平力转换，切除锚箱内系杆，将其更换为成品的钢绞线，保留原锚固段系杆，将锚箱内新系杆与锚固段旧系杆连接后再进行张拉，最后将水平力转移到新增系杆上。本方案新旧系杆的连接和张拉施工较复杂，而且在新旧系杆连接部位钢绞线受力较为薄弱，影响后期结构受力，存在一定风险（图4）。

（2）方案二：废弃原位于桥面以下的系杆及锚固系统，在原系杆锚固位置上方增设锚块，通过植筋与原锚固结合，在原系杆对应的桥面上方新设系杆，逐根张拉新系杆、逐根解除原系杆。本方案锚固段存在新旧混凝土结合面，受力状态复杂，新系杆调整到原系杆上方，和原系杆受力比较，拉力上移，原边跨产生附加弯矩，需设置拉压支座或配重予以克服（图5）。

（3）方案三：通过在拱脚增设临时系杆，逐根张拉、逐根解除原系杆，将水平力转换到临时系杆。对锚固段全部拆除重建，将原系杆全部原位更换为成品钢束。逐根张拉新系杆、逐根解除临时系杆，完成受力体系第二次转换。更换系杆的主要步骤包括：①搭设边拱段的临时支撑，吊离相邻跨空心板为后续工作腾出工作面;②在拱脚增设临时系杆，将原系杆逐根切断，将原系杆拉力有序转换至临时系杆上;③待原系杆力全部转换至临时系杆后，拆除主桥边跨行车道板及原系杆锚固段，设置新系杆的预埋钢管和锚具，整体现浇恢复锚固段及边跨行车道板;④逐步将本次新增成品系杆通过张拉替換临时系杆，达到最终成桥状态（图6）。

3种方案的优缺点比较如表1所示。

经过业主和专家组等多方论证后，最终确定采用了方案三作为实施方案。此方案实施后能够延长此桥梁安全运营寿命20年以上，比拆除重建方案节约投资近2.0亿元。

采用方案三作为推荐方案：拆除原锚固段边跨重新浇筑为整体的空心箱梁，锚固点水平分布于梁体端部，在边拱端部位置增设锚块，便于临时系杆锚固和张拉，新系杆（10对31根高强低松弛钢绞线）采用31孔可换索式系杆锚具，每根系杆锚头处设置一套压力传感器，跨中设置一套磁通量传感器，便于后期监控索力变化（图7、图8）。

3 推荐方案的结构验算

本桥加固设计总体计算采用桥梁结构分析软件MIDAS/Civil，模型离散见图9所示。

3.1 主拱承载能力验算

经过计算，该桥加固后，主拱拱圈承载能力满足JTG/T D65-06-2015《公路钢管混凝土拱桥设计规范》要求，计算结果如表2、表3所示。

3.2 吊杆验算

此次加固完成后，在持久状况和短暂状况下的吊杆索力的最大值为Nmax=1806 kN，吊索的承载能力N=fpkAs=1860×2660/1000=4947.6 kN，N/Nmax=2.7>γs=2.5。

故吊杆索承载能力满足规范要求。

3.3 新系杆验算

此次加固完成后，在持久状况和短暂状况下的新系杆索力的最大值为Nmax=3461 kN，系杆索的承载能力N=fpkAs=1860×4340/1000=8072.4 kN，N/Nmax=2.3>γs=2.0。

故新系杆索承载能力满足规范要求。

3.4 临时系杆验算

加固过程中，临时系杆索的最大拉力为为Nmax=1859 kN，系杆索的承载能力N=fpkAs=1860×2100/1000=3906 kN，N/Nmax=2.1>γs=1.8。

故临时系杆承载能力满足规范要求。

3.5 临时锚固块验算

临时锚固块主要验算抗剪截面（见图10中粗线）承载力是否满足要求。通过计算，临时锚固块的抗剪承载力的安全系数为1.43，满足施工要求（表4）。

通过计算可知，本桥维修加固后结构受力满足相关规范要求。该桥经过约7个月施工，在参建各单位的共同努力下，顺利完成该桥的系杆更换和其他病害整治工作，从检测结果及运行情况看，桥梁状态良好，到达了设计目的，取得了良好的经济效益及社会效益。

4 结 论

（1）对该桥中承式钢管混凝土拱桥系杆更换方案提出了3种方案，有效探索此类桥梁系杆后期更换实践的难题。

（2）在对系杆更换的方案比选中，需综合考虑结构安全和环境景观等问题，尽量做到技术先进、安全可靠、耐久适用和经济合理。

（3）对于系杆这种原设计更换考虑不充分构件，在更换设计中需满足后期可到达、可检查、可维修和可更换的要求。

（4）本文最终采用的原位更换系杆方案属同类桥梁首次采用，虽面临无成功经验借鉴、施工难度较大等困难，但在足够基础资料支撑下，通过充分分析论证、精细设计、精心组织施工，最终达到了良好的效果。该桥系杆更换方案对广大桥梁设计人员和施工人员具有参考价值。

参考文献

[1] 彭世恩，曹火勇，郝天之.系杆有效力对系杆拱桥的敏感性分析[J].西部交通科技，2020（1）： 70-73.

[2] 公路钢管混凝土拱桥设计规范： JTG/T D65-06-2015[S].