旧桥换索的组合式钢吊杆更换设计与施工

邓海毅，黄颖，苏韩

（1.柳州欧维姆机械股份有限公司，广西 柳州 545006；2.柳州工学院，广西 柳州 545616；3.柳州市预应力结构工程技术研究中心，广西 柳州 545616）

0 引言

采用旧桥换索的加固方法能显著节约资源和成本，提高拱桥吊杆的安全系数，改善桥梁的受力分布，从而有效提升桥梁的运营能力。冯兆祥[1]、龙跃[2]对导致桥梁缆索病害与破坏机理进行分析研究，并提出预防措施。随着越来越多的桥梁加固及旧桥换索工程的实施，常规的旧桥换索技术已越来越成熟，并得到广泛应用，唐赐明[3]、李世忠[4]、孙海霞[5]等对拱桥吊杆的维修、具体工程的更换吊杆施工工艺进行了研究及实施。

但一些特殊的旧桥采用成组钢拉杆作为吊杆，这种结构的旧桥预埋管和锚槽过小，原有钢拉杆间多有钢筋穿过，对于将要更换的新吊杆来说会导致新吊杆安装空间不足甚至与锚槽内钢筋或其他结构有干涉，如果进行扩孔等操作势必会对桥梁原有结构造成破坏并使工程量大大增加。因此需要一种新的连接方式以适应这种情况的旧桥换索施工操作。以永定县南门大桥为例，针对成组钢拉杆式拉索的旧桥换索设计一种新型的连接耳板，解决拱端连接问题，完成工程施工至今运营良好。

1 工程概况

永定县南门大桥上部结构采用主跨为50.0 m的钢筋混凝土中承式拱桥，边跨对称布置了跨径为19.0 m的坦拱。钢筋混凝土中承式拱桥净跨47.5 m，净矢高9.5 m，净矢跨比1/5。全桥采用连续结构体系，中间不设伸缩缝，吊杆是4根钢拉杆为一组的吊杆结构，吊杆外表以不锈钢管包裹防护，如图1所示。该桥于1996年建成通车，2014年检测发现横梁下吊杆锚固螺母及钢垫板锈蚀严重，所有横梁均有不同程度的渗水、泛碱和露筋锈蚀情况，渗水现象加剧，吊杆使用年限已达16年，且吊杆横梁梁底锚头锈蚀严重，更换吊杆所遇到的瓶颈问题就是旧桥拱端锚槽过小，且原四根钢拉杆中间有钢筋穿过，横穿的钢筋为拱肋结构筋，不能将此钢筋去除。如果将4根钢拉杆更换为成品拉索，此钢筋将干涉新吊杆的安装，如图2所示。

图1 4根钢拉杆为一组的旧吊杆拱端

图2 拱肋内横穿钢筋

2 更换吊杆方案设计

吊杆更换方案原则以保证桥梁的结构安全，不因更换吊杆而损坏桥梁其他部位制定[6]，吊杆主体为钢绞线成品索，上端通过特殊结构的连接耳板加钢拉杆的形式将吊索的力传递到拱端，既不需破坏原桥结构，又解决了吊杆更换的施工问题，使整个换索工程的工程量大大减少，并能实现今后再次更换的可能。吊杆上端利用原桥预留4个上预埋管安装钢拉杆，钢拉杆与T形耳板连接，换索张拉完成后，在T形耳板与拱肋间以及拱肋上端原槽口，采用高强砂浆填充，由此制成拱肋端可连接的叉耳结构，如图3所示。下端由原来的4个钢拉杆通孔，扩为1个大孔，吊杆采用GJ15-15挤压锚固钢绞线拉索，施工时在下端进行张拉索力调整。由于拉索部份产品结构都已成熟定型，因此，只考虑连接耳板的结构和受力情况。

图3 更换吊杆结构示意

2.1 T形连接耳板设计

根据实际工程中旧桥实际锚槽和布筋情况，综合考虑加工可行性，设计连接的T形耳板结构，如图4所示。

图4 T形连接耳板示意

耳板柱销孔通过柱销与索的叉耳相连接，耳板底座处四个孔与钢拉杆通过球形螺母球形垫板固定连接，将索力传递到拱端，如图5所示。

图5 T形连接耳板与拉索的连接示意

2.2 计算分析

采用有限元分析软件ANSYS对连接结构进行分析。T形连接耳板所用金属材料为各向同性，弹性模量E取2.10 GPa，泊松比为0.3。将柱销加入模型中，用于做T形耳板的接触分析。因本次主要分析T形耳板的受力情况，可将球形螺母、球形垫板视为一个整体加入模型与耳板做接触分析。

此模型整体是轴对称模型，为使有限元分析过程更加快捷，建立1/2模型进行计算，划分单元网格之后的模型，如图6所示。

图6 有限元模型单元划分

T形连接耳板由球形螺母、球形垫板与钢拉杆组件固定，张拉力通过叉耳的柱销传递至连接耳板柱销孔处，有限元分析时模拟真实构件的受力情况，将荷载施加在柱销上，柱销与耳板设置为接触分析。施加力按吊杆极限力施加，即15根1860 MPa级规格ϕ15.2的钢绞线的破断力进行有限元模拟计算，单根钢绞线的公称破断力260.4 kN，在张拉力达到索的破断力时叉耳柱销受压面施加的压强161.4 MPa。

连接耳板的上端面通过球形垫板固定约束，将球形垫板施加约束，做球形垫板底面与连接耳板接触，上端在叉耳柱销处施加161.4 MPa的拉应力，在整体对称切割处施加对称约束，如图7所示。

图7 施加拉力，约束示意

因重点关注T形连接耳板的受力情况，故将结果只选中连接耳板以便观察。分析得到的Mises应力，如图8所示。

图8 连接耳板Mises应力

T形连接耳板的材料屈服强度785 MPa，连接耳板最大Mises应力为573 MPa，小于材料屈服强度。安全系数k=785/573=1.37。即在拉索极限力的载荷作用下，此连接耳板仍有1.3倍的安全系数。根据公路钢管混凝土拱桥设计规范，知张拉控制应力σcon一般采用不超过拉索极限破断力强度σb的K倍（一般K值取0.4）。查看构件沿各向的变形、应力，将计算的结果乘以系数0.45，则张拉过程最大应力值为229.2 MPa，785/229.2=3.4，即该结构有超3倍的安全系数，因此该连接耳板在使用过程中是安全的。

由应力图可见应力最大处为T形过渡交接处，综合考虑结构受力与加工可行性，此处设计为圆角过渡，以减小此处应力集中，使整体结构更加可靠。

3 吊杆更换施工

3.1 施工平台

吊杆更换施工操作平台分为：（1）拱上施工平台，以钢管搭设满堂支架直至拱项；（2）吊杆下端的操作平台，采用可移动挂篮。

3.2 施工监测

在主车道完全封闭交通的情况下，选择在夜间或凌晨测定恒载状态下吊杆安装位置的横梁端的实际标高，作为吊杆更换及桥梁加固的一个基准点，并以之作为今后加固施工完成之后加固效果的一个评定参考。桥面用精密水准仪测量桥面标高，换吊杆时随时监控所换吊杆对应的横梁处桥面标高变化不超过±5 mm。

3.3 临时兜吊系统安装

中、下承式拱桥的旧吊杆更换常用临时兜吊法[7]，施工设备较少，体系转换明确。临时兜吊结构示意图，如图9所示。在更换吊杆区的拱肋两端采用4根螺纹钢棒箍紧，沿拱肋方向用两根拉杆连接固定。在此构件上方加一组同样的箍紧装置抗滑，两组箍紧装置间用钢绞线索串联在一起，如图10所示。钢丝绳跨过拱肋安装扁担梁，形成上兜吊系统，扁担梁与梁体托梁之间通过四根精扎螺纹钢连接。安装完成后采用四台千斤顶对精轧螺纹钢进行同步对称张拉。张拉装置采用一台油泵通过四通阀控制两台千斤顶，保证千斤顶同步受力，如图11所示。兜吊系统第一次体系转换完成后，保持兜吊系统24 h静止荷载试验，以检查各部位的紧固性。

图9 临时兜吊结构示意

图10 拱肋防滑装置

图11 横梁兜吊

3.4 更换吊杆

测量吊杆桥面测量点处标高，按照索力值平均分力为五个等级分级进行体系转换，每一步的转换过程都要对吊杆桥面测量点进行测量，记录索力情况，控制标高+5 mm以内，符合要求后进行下一步操作。

在桥面往上0.5 m的地方截取十公分长的套管，在已截取套管处预先安装索夹，横梁提升到位，将索力转移至临时兜吊系统后，切割旧吊杆。由于拱肋刚度比较大，体系转换难度比较大，为避免应力过分集中，采用临时吊杆分级加载，旧吊杆切除分2次循环后完成，旧吊杆的应力转移到了临时兜吊系统之上。

从每拱最长的吊杆向两端交替逐对拆除，拆除一组旧吊杆即刻补上新吊杆。新吊杆安装前，在原吊杆锚垫板上安装新吊杆锚具的预埋垫板。安装上端拱肋的钢拉杆和T形连接板，如图12所示。确定上端耳板与下端锚具螺母的安装位置，以保证吊杆的可调节长度，注意各部件的安装控制精度。

图12 安装T形连接耳板

采用卷扬机辅助，利用在拱顶吊杆的安装位置的正上方设置的拱上平台作为起吊点，把卷扬机牵引绳与吊杆上端连接，启动卷扬机缓慢的牵引吊杆，装入叉销索体安装到位，如图13所示。

图13 吊装拉索

吊杆张拉就是应力转换过程，即由临时兜吊系统转换到新吊杆，转换过程采用分级、同步进行，每一级过程中都要对吊杆桥面测量点进行标高，标高控制在设计要求范围内。张拉加载速度一般应小于10 MPa/min，直至张拉到要求停止，即拧紧横梁下端的拉索螺母。

体系转换完成之后，需要对该吊杆位置的横梁顶面标高进行测量，使标高控制在设计范围内。每更换完成三对吊杆后，进行一次调索，保证新吊杆的索力和标高误差数值在设计范围内。当全部吊更换完成之后，根据联测数据确定是否进行吊杆索力调整。调整时按1/2、1/4、1/8的程序进行，而且四点同步，为了减少调整步骤和次数，在全桥调整之前应准确测量出该工况下的索力和标高值报设计以指导下一阶段调索的正确程序和步骤。

3.5 后期索力调整

吊杆更换完成后，对全桥吊杆桥面标高进行复测，换索后的吊杆标高值与换索前的吊杆标高值的差值控制在+5 mm的设计范围内，结合监控索力值，对全桥吊杆索力值进行调整。

3.6 新吊杆防护

按设计要求对吊杆进行防护：安装新吊杆不锈钢护套、防水罩及上、下锚头保护罩；下预埋管内填充防腐聚氨酯；拱肋上端用砂浆填平。

4 结语

采用ANSYS软件对特殊连接耳板进行有限元分析，并通过实际工程验证其可靠性，特殊连接耳板的结构综合考虑了特殊的成组钢拉杆式桥梁的旧桥换索中的施工可靠性和便捷性，减少对桥梁原有结构的破坏，提高桥梁的安全系数。此次更换施工于2016年1月完成，安全运营至今，由此证明采用这种特殊的连接耳板在旧桥换索工程中便于施工，也更安全可靠，可在同类工程中借鉴并进一步推广应用。