钢管砼拱桥梁吊杆更换关键技术——力系转换方案研究与荷载控制要点

舒鼎龙 李帅 杨辰

1.武汉飞虹工程管理咨询有限公司 湖北 武汉 430083

2.武汉城运公共设施运营管理集团有限公司 湖北 武汉 430000

1 工程概况

长丰桥主桥采用中承式系杆拱桥，跨度布置为60.5+251+60.5m，主桥宽度31.9m（含吊杆区），横向布置为：[3.45（吊杆锚固区、检修道）+0.46（护栏）+0.5（路缘带）+2×3.75（大车道）+3.50（小车道）+0.25（路缘带）+0.58/2（中间护栏）]×2。主桥桥面设柔性吊杆、钢横梁、桥面板及平衡主拱推力的预应力系杆。旧吊杆间距6.00m，共64根，采用PES5-151 φ5镀锌平行钢丝成品拉索，外包双层PE，其标准强度R=1570MPa，两端配置相应的冷铸锚，上端为张拉端，锚于下弦缀板处，下端为固定端，锚于钢横梁内。为适应桥面系的纵向变形，边部第一根吊杆上锚固点设在上弦节点上。吊杆下端在2.5m高度范围内用额外的钢管对其防护，以免人为因素破坏。

经检测，吊杆锈蚀程度达到Ⅲ级，需要对其进行更换，新吊杆采用钢绞线整束挤压吊杆索，吊杆索体采用1960MPa级、φ15.2环氧喷涂无粘结钢绞线缠包后外挤HDPE保护，拉索总调节量为±80mm，同时吊杆下端均锚固在主横梁底部。

2 吊杆更换方案力系转换方案讨论的目的和意义

钢管砼吊杆（系杆）拱桥的受力特点为主桥桥面荷载传给钢横梁、吊杆受钢横梁的拉力将荷载再传递给主拱圈，拱圈受压后向两端拱座传递水平推力，而预应力柔性系杆主要起到平衡部分主拱推力的作用，以减少拱座的水平推力，整个结构体系处于平衡安全状态，在吊杆拆除更换过程中，以上结构受力不断变化，力系频繁转换，选择合适的方案对保证结构安全及加快更换进度都有着重要的意义。

3 力系转换方案实施

吊杆更换施工是一系统工程，原吊杆拆除时，需要将吊杆上的索力转换到临时吊杆上，新吊杆安装好后，给新吊杆施加拉力时又需将临时吊杆上的拉力卸除，更换一根吊杆力系通过临时吊杆转换2次，因此临时吊杆需满足以下几方面要求：①同原吊杆恒载作用下相同的受力状态，上承载横梁表面必须水平，以便均匀受力，并保证有相当的强度、刚度和稳定性安全储备；②与原吊杆进行力系转换过程中，能够分级卸载或加载定量控制，保持原结构受力状态不变和工作状态连续性；③临时兜吊系统在安装和施工过程中，不会对原结构构件造成损伤，并避免构件集中应力集中情况；④临时吊杆需要带自锁装置[1]。

长丰桥临时兜吊由抱箍及拱顶分配梁、钢绞线锚固梁、底分配梁、张拉分配梁、千斤顶、撑脚、钢绞线以及7孔工具锚等组成临时兜吊体系，其中抱箍及拱顶分配梁焊接为整体，拱顶分配梁通过耳板及销轴与钢绞线锚固梁连接，可以保证兜吊系统适用于每个索号吊杆。将千斤顶、撑脚以及工具锚设置在底分配梁下方，通过千斤顶张拉或放张临时兜吊系统钢绞线进行新、旧吊杆力系转换。

4 吊杆更换过程中荷载控制

吊杆更换力系转换频繁，为避免对桥梁结构造成损害更换过程中必须要对荷载进行严格控制，因此吊杆更换需请有资质的监控单位进行监控，每个施工步骤必须严格按监控指令实施。

（1）桥上临时施工荷载控制

根据cfsgjk-07施工监控指令的计算及说明，桥上临时荷载包括4台吊机、吊杆更换设备及新吊杆材料等，这些荷载按2000KN布置在主跨中最不利位置，经计算可保证拱座反力满足控制要求，因此，桥上临时施工总荷载超过2000KN时要通知监控单位进行核算，同时，桥上荷载应尽量对称均匀布置，包括上下游对称、两岸（汉口岸与汉阳岸）对称，且要分散布置在较大面积范围内[2]。

（2）桥面系拆除及恢复荷载控制

图1 临时兜吊系统示意图

长丰桥改造提升需将原桥面系拆除，包括沥青砼桥面、л型梁，杆梁、人行道板纵梁、砼T梁等，拆除时桥上荷载减小导致吊杆索力减小，恢复新桥面时桥上荷载增加会导致索力增大。为使吊杆索力变化均匀，拆除旧桥面系及恢复新桥面系也需按同步对称（上下游及两岸均要求对称）的原则进行，吊车起梁与落梁时，均要缓慢匀速，避免吊装过程中对桥上产生较大冲击荷载。

（3）吊杆更换时荷载控制

在吊杆更换前，需测量桥面标高作为桥梁的初始位置，桥面标高通常采用电子精密水准仪进行测量。另外，还要在桥上根据需要布置各个测点，比如测量吊杆的长度变化要在吊杆的上、下吊点固定测量位置；测量桥面标高要设置一个不受影响的固定测试位置以架设仪器，安排固定好各个测点的位置等。

吊杆更换时，力系主要在钢横梁、临时吊杆、新旧吊杆及主拱肋间相互转换与传递，为保证主拱肋及钢横梁受力对称均衡，吊杆的更换顺序为由中间最长吊杆向两边依次对称进行更换，横桥向两根吊杆应同时更换[3]。为避免过程中荷载传递不均衡，减小冲击荷载作用，拆除旧吊杆时旧吊杆（放张）与临时吊杆（张拉)之间力系转换需分4级（25%-50%-75%-100%）逐级加载、卸载交替进行，更换新吊杆时新吊杆（张拉）与临时吊杆（放张）之间力系转换也需分四级（25%-50%-75%-100%）逐级加载、卸载交替进行，加载、卸载均通过千斤顶张拉控制，每级力系转换过程中密切进行施工监控，以桥面标高变化控制为主，索力控制校核，做到两者兼顾。桥面标高的变化值应控制在±3mm 范围之内；吊杆更换完成后，各吊杆桥面标高与更换前的桥面标高差值不得大于1.5mm；由于原设计吊杆索力数据与实际可能存在一定偏差，施工前应中断交通，逐个对索力进行测量，以此作为控制索力，若出现较大差异，应及时通知设计单位，共同查找原因，协商解决。为确保监测数据的准确，在进行第4级荷载转换时，桥上其它增加临时荷载（如运输、起吊材料及安装桥梁检修车）等施工均要停止作业。

在吊杆更换过程中，需要跟踪测量的是桥面标高、被更换吊杆的伸长量和对临时吊杆加载的油压表读数等。对临时吊杆每级加载后、每次割断钢绞线后和新吊杆各级张拉后，均需要测量桥面标高、吊杆的伸长量，并记录油压表的读数。其中吊杆的长度测量可以采用高精度全站仪或千分尺等，测量吊杆上、下锚固中心点的空间坐标[4]。

吊杆更换后，要再次测量桥面标高并与桥面初始位置进行比较；测试新吊杆索力与理论计算值进行对照；测定吊杆下吊点挠度的变化情况，并把这些作为索力是否需要调整的依据。如果发现桥梁线形或吊杆索力与目标值有较大的差异，查明原因，如果需要对吊杆进行二次调索，则调整吊杆的索力和桥梁的线形，保证工程质量和桥梁运营安全。

（4）温度效应控制

温度是一个复杂的随机变量，它与桥梁所处的地理位置、方向、自然条件、组成构件的材料等因素密切相关，它的计算准确与否在确定结构应力和变形中起着重要的作用，同时结构的温度分布是瞬时变化的，在结构中的温度应力也是瞬时变化的，具有明显的时间性。

为解决温度效应的影响，应采取的控制措施有：①现场连续实时监测结构气温、温度场；②根据实测温度场，理论分析计算结构的温度场效应；③全天侯定时监测结构变形，了解拱肋线形及主梁标高随温度变化情况。

5 力系转换其它方案设想论述

长丰桥力系转换临时兜吊主要通过一对抱箍实现，在方案设计时，也曾设想过在原吊杆上锚板附近找两个对称位置钻孔，从孔中穿2根钢绞线束作两根临时吊杆（力系转换时每根承受400KN拉力），再在吊孔安装临时上锚板，下锚板依然通过张拉分配梁进行锚固。

两种方案优缺点对比如下：

（1）抱箍方案因考虑一次需对称的4根吊杆同步更换，需要投入8套临时兜吊系统，材料数量较多，所以加在拱肋的临时荷载也大一些，需要对其刚度、张度及稳定性进行验算控制；安装过程控制环节也较多，在更换15、16号短吊杆时，由于受桥梁结构的空间影响，抱箍顶分配梁、张拉分配梁及底分配梁安装均需要对其进行改装，且无法利用吊车，仅依靠倒链人工起吊安装，安装过程更复杂，安装进度更缓慢。主要优点就是抱箍与主拱肋传力接触面积大，拱肋受力更均匀，拱肋结构及防腐涂装体系不受影响。

（2）钻孔方案主要致命缺点是在主拱肋上钻孔对其结构完整性有破坏，吊杆更换完成后需对孔洞进行注浆修复，由于浆液泌水收缩，注浆的饱满度难以得到保障；另一缺点就是临时吊杆上的荷载仅通过2个吊孔上的锚板传给主拱肋，主拱肋受力不如抱箍传递均匀。主要优点是监时无需顶分配梁及抱箍等设备，安装过程简单，施工可能更迅捷。

因钻孔方案缺陷过于明显，方案不作过深研究与详细叙述，仅在抱箍方案受桥梁结构的空间影响的确难以实现时考虑采用。

6 结束语

吊杆（系杆）拱桥受力体系较为复杂，旧桥拆除与换新过程中，力系转换次数多，吊杆更换不论采用何种力系转换方案都要本着保持桥梁结构受力体系要平衡，各结构部位受力要对称均衡，为达到这一目的，必须要对荷载严格控制，每个过程均需根据监控单位的监控指令严格执行，才能安全顺利地完成吊杆更换。