不損傷橋面更換拱橋吊桿的方法研究

王 欣 虞根淼 俞 峰

（1 蘭州交通大學(xué)鐵道技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2 浙江正方交通建設(shè)有限公司，浙江 金華 321000）

1 引言

吊桿是中、下承式拱橋的重要構(gòu)件，一般為高強(qiáng)鋼絲或鋼絞線外包防護(hù)PE組成的柔性索體。目前吊桿索體的設(shè)計(jì)年限一般約20年，但由于橋梁運(yùn)營期間的超載、缺乏管養(yǎng)等，往往難以達(dá)到預(yù)期年限[1]。如1990年建成的四川宜賓小南門大橋在2001年11 月7 日曾出現(xiàn)吊桿突然斷裂，橋面掉入河中，發(fā)生車毀人亡的慘劇，因而更換吊桿是這類橋梁維護(hù)的重要工作[2]。

目前，國內(nèi)有幾座吊桿拱橋?qū)Φ鯒U進(jìn)行了更換，對(duì)吊桿更換技術(shù)做了一些嘗試，但其方法都難以做到更換過程中維持橋面的完整。本文結(jié)合浙江省新昌縣城西大橋加固改造工程對(duì)不損傷橋面更換拱橋吊桿的高要求，對(duì)不損傷橋面更換拱橋吊桿的方法進(jìn)行了研究，提出一種在吊桿更換過程中保證橋面鋪裝不開裂的施工控制方法，實(shí)現(xiàn)了拱橋吊桿橋面無損更換。

2 吊桿更換過程中橋面鋪裝開裂分析

橋面鋪裝的作用是保護(hù)橋面板防止車輪或履帶直接磨耗，保護(hù)主梁免受雨水侵蝕，并借以分散車輪的集中荷載。橋面鋪裝形成后，有一定的鋪裝厚度和剛度，因此會(huì)形成橋面結(jié)構(gòu)連續(xù)[3]。

在吊桿更換過程中，存在吊桿力轉(zhuǎn)換問題，導(dǎo)致該吊桿甚至相鄰吊桿產(chǎn)生變形，從而使橋面標(biāo)高上下變化。由于橋面鋪裝結(jié)構(gòu)連續(xù)，相臨吊桿之間標(biāo)高變化會(huì)使橋面鋪裝受力，如果控制不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致橋面開裂。

下面結(jié)合在吊桿更換過程中橋面標(biāo)高發(fā)生變化的階段，具體分析確定橋面鋪裝開裂發(fā)生的階段以及破壞形式，為研究橋面無損更換提供依據(jù)。

階段Ⅰ：在將原吊桿力轉(zhuǎn)移到臨時(shí)吊桿上時(shí)，臨時(shí)吊桿逐級(jí)緩慢加載，該吊桿處橫梁產(chǎn)生與臨近橫梁向上的相對(duì)位移，從而使橋面鋪裝在該橫梁處產(chǎn)生轉(zhuǎn)角θ。首先，橋面鋪裝在橫梁處連續(xù)，致使其在該吊桿處產(chǎn)生負(fù)彎矩；其次，橋面鋪裝與橋面板具有粘結(jié)力，使該吊桿處一定長度范圍的橋面鋪裝受拉。再次，對(duì)于橋面板簡支的結(jié)構(gòu)形式，如果相鄰兩孔變形不協(xié)調(diào)，橋面鋪裝還要承受橋面板端部提供的剪力。因此，在這個(gè)階段橋面鋪裝主要是受彎，受拉，受剪破壞；當(dāng)轉(zhuǎn)角θ大于橋面開裂臨界轉(zhuǎn)角時(shí)，橋面鋪裝會(huì)沿橫梁方向開裂。因此，必須通過設(shè)計(jì)施工控制橋面鋪裝的轉(zhuǎn)角θ。

階段Ⅱ：在臨時(shí)吊桿按本級(jí)荷載張拉完成之后，切斷原吊桿相應(yīng)荷載比例的鋼絲時(shí)，該吊桿處橫梁在階段Ⅰ的基礎(chǔ)上產(chǎn)生向下的相對(duì)位移，橋面鋪裝轉(zhuǎn)角θ慢慢減小。由于原吊桿與臨時(shí)吊桿共同承受切斷吊桿截面的荷載，因此該相對(duì)位移的大小與臨時(shí)吊桿截面有關(guān)。若θ＞0，該吊桿處橋面鋪裝受力同階段Ⅰ類似，并且鋪裝產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角數(shù)值較階段Ⅰ小，不會(huì)引起橋面開裂；若θ=0，該吊桿處橋面鋪裝回到初始應(yīng)力狀態(tài)，不會(huì)引起橋面開裂；若θ＜0，該吊桿處橋面鋪裝產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)角，結(jié)構(gòu)受壓，同樣不會(huì)產(chǎn)生開裂。但是相臨吊桿處橋面鋪裝產(chǎn)生正轉(zhuǎn)角，其受力與階段Ⅰ類似，如果向下相對(duì)位移過大，使相臨吊桿處橋面鋪裝產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角大于橋面開裂臨界轉(zhuǎn)角，則橋面鋪裝會(huì)產(chǎn)生開裂。因此，必須控制向下相對(duì)位移的數(shù)值。由于該位移值的大小與臨時(shí)吊桿截面有關(guān)，在設(shè)計(jì)時(shí)一般適當(dāng)增大臨時(shí)吊桿截面，有效控制該位移的大小，因此在階段Ⅱ橋面鋪裝一般不會(huì)開裂。

階段Ⅲ：當(dāng)原吊桿完全拆除，逐步張拉新吊桿，并同時(shí)放松臨時(shí)吊桿時(shí)，橋面標(biāo)高會(huì)逐漸調(diào)整到初始標(biāo)高，前期積累的相對(duì)位移值會(huì)慢慢恢復(fù)，橋面鋪裝轉(zhuǎn)角會(huì)逐漸減小，應(yīng)力逐漸降低，并最終回到初始狀態(tài)。因此，在本階段橋面鋪裝不會(huì)開裂。

綜合上述分析，橋面無損更換的關(guān)鍵就是控制在階段Ⅰ更換該吊桿處橋面鋪裝產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角θ。在更換吊桿過程中，若將θ控制在容許范圍之內(nèi)，橋面鋪裝就不會(huì)產(chǎn)生開裂。

3 橋面無損更換控制條件研究方法

由于在更換吊桿之前，橋面鋪裝已經(jīng)投入使用，經(jīng)過活荷載的反復(fù)作用產(chǎn)生了一定的變形、磨損，橋面鋪裝與橋面板的粘結(jié)力有所降低。橋面鋪裝的結(jié)構(gòu)性能與設(shè)計(jì)值有了一定的差距，很難確定橋面鋪裝現(xiàn)狀，精確計(jì)算出橋面開裂時(shí)的臨界轉(zhuǎn)角值。

依據(jù)對(duì)橋面鋪裝開裂分析，為了實(shí)現(xiàn)橋面無損更換，可以尋求一個(gè)在保證橋面不開裂時(shí)轉(zhuǎn)角[θ]，以此作為控制條件進(jìn)行吊桿更換設(shè)計(jì)與施工。該轉(zhuǎn)角不宜過大，應(yīng)與橋面開裂臨界轉(zhuǎn)角有一些的差距，使橋面鋪裝具有一定的安全系數(shù)，保證橋面不開裂。該轉(zhuǎn)角也不宜太小，因?yàn)樵撧D(zhuǎn)角是由臨時(shí)吊桿按吊桿力分級(jí)加載的產(chǎn)生的，如果太小，會(huì)導(dǎo)致臨時(shí)吊桿分級(jí)加載次數(shù)增加，使吊桿力轉(zhuǎn)移效率降低，延長工期，造成浪費(fèi)。為了合理確定橋面無損更換控制條件[θ]，引入如下假設(shè)：

(1)橋梁各部分材料處于彈性工作階段。

(2)在設(shè)計(jì)荷載作用下，橋面鋪裝不發(fā)生開裂。

(3)在吊桿更換施工前，橋面鋪裝處于無應(yīng)力狀態(tài)。

(4)在吊桿更換施工過程中，橋面鋪裝不承受活荷載作用。

根據(jù)以上假設(shè)，可以借助該橋設(shè)計(jì)荷載與橋面上產(chǎn)生的橋面變形來確定控制條件[θ]，從而保證了橋面鋪裝不開裂，實(shí)現(xiàn)橋面無損更換，并具有一定的安全系數(shù)。圖1 為橋面鋪裝轉(zhuǎn)角θ的計(jì)算圖示。

圖中Δ 為該控制截面處橋面位移，Δ1、Δ2為相臨吊桿處橋面位移，L 為吊桿間距。由此可以得出橋面鋪裝轉(zhuǎn)角θ的計(jì)算公式。

下面結(jié)合城西大橋加固改造工程具體研究控制條件[θ]的確定。

城西大橋橋梁全寬15.2m，橫向布置為：2.0m 人 行 道+ 1.1m 拱 肋+ 9.0m 行 車 道+1.1m 拱肋+2.0m 人行道。拱肋為箱形斷面，高1.8m，寬1.1m，頂、底板厚0.2m，腹板厚0.18m，拱肋每3.0m 設(shè)置一道0.3m 厚橫隔板；吊桿橫梁采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，高0.90m，跨中寬0.5m；吊桿間距為3m；該橋原設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽車－20 級(jí)，掛車－100，人群荷載為3.0kN/m2。2001年因?yàn)闃蛎嫫茡p，對(duì)橋梁進(jìn)行了加固，重新鋪筑了橋面，并增設(shè)伸縮縫。橋面鋪裝層厚度0.13m，鋼筋直徑8mm，間距為10cm×10cm。

通過對(duì)橋梁進(jìn)行移動(dòng)荷載加載，發(fā)現(xiàn)當(dāng)掛車-100 前輪作用于1＃吊桿時(shí)，橋面鋪裝會(huì)產(chǎn)生最不利轉(zhuǎn)角。圖2 為加載圖示。圖3 給出了橋面鋪裝在該活載作用下產(chǎn)生位移的折線圖。

圖2 橋面鋪裝產(chǎn)生最不利轉(zhuǎn)角的加載圖示

圖3 橋面鋪裝位移折線圖

由圖3 可以看出，在2’＃、4’＃吊桿處橋面鋪裝轉(zhuǎn)角較大，但是該吊桿附近橋面鋪裝作用于移動(dòng)荷載，不能夠反映在吊桿更換過程中橋面鋪裝受力狀態(tài)，因此不作為制定控制條件依據(jù)。在2＃吊桿處橋面鋪裝在吊桿間距范圍內(nèi)沒有移動(dòng)荷載作用，其橋面鋪裝受力狀態(tài)符合吊桿更換過程中的實(shí)際情況。因假設(shè)移動(dòng)荷載作用時(shí)橋面鋪裝不開裂，所以2＃吊桿處橋面鋪裝產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角可以作為制定控制條件的依據(jù)。根據(jù)公式1，即可計(jì)算出保證橋面鋪裝不開裂時(shí)的轉(zhuǎn)角[θ]。

4 橋面無損更換施工控制條件優(yōu)化

要實(shí)現(xiàn)橋面無損更換，必須通過有效的施工控制來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)前面分析的結(jié)果，得出了保證橋面不開裂時(shí)的控制轉(zhuǎn)角[θ]。但是橋面轉(zhuǎn)角在施工過程中測量困難，增大了施工控制難度，必須對(duì)控制條件進(jìn)行優(yōu)化。

由于橋面位移可以通過測量橋面標(biāo)高得出，因此，若將控制橋面鋪裝轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)化為控制橋面標(biāo)高變化，則會(huì)大大降低施工控制難度，確保橋面無損更換。

對(duì)公式1 進(jìn)行變形，并代入保證橋面鋪裝不開裂的控制轉(zhuǎn)角[θ]，可以得出更換吊桿處橋面標(biāo)高變化與相臨吊桿處橋面標(biāo)高變化的關(guān)系。

吊桿處橋面標(biāo)高變化與兩個(gè)因素有關(guān)，即吊桿長度變形和拱肋標(biāo)高變化。下面結(jié)合橋梁具體結(jié)構(gòu)形式以及更換吊桿時(shí)的施工過程，分析更換吊桿處與相臨吊桿處橋面標(biāo)高的變化情況。

(1)在原吊桿力向臨時(shí)吊桿轉(zhuǎn)移的過程中，當(dāng)臨時(shí)吊桿緩慢加載，該吊桿力逐漸減小，吊桿長度變形減小。

(2)由于橋面板簡支于吊桿橫梁上，相臨吊桿力變化取決于構(gòu)成橋面連續(xù)的橋面鋪裝層，因此可以認(rèn)為相臨吊桿力變化很小。即便是變化，吊桿力也是減小的，吊桿長度變形減小。

(3)由于相臨吊桿力變化很小，臨時(shí)吊桿加載的力基本上等于該更換吊桿減少的力，并且拱肋截面抗彎慣性矩很大，因此拱肋標(biāo)高變化很小，可以忽略。

基于上述分析，在臨時(shí)吊桿緩慢加載的過程中，相臨吊桿處橋面標(biāo)高向上變化，并且產(chǎn)生的位移 Δ1、Δ2很小。因此，在施工過程中可以通過更換吊桿處橋面標(biāo)高變化Δ 來控制。根據(jù)公式2 可知，忽略相臨吊桿處橋面位移 Δ1、Δ2是偏于安全的。

至此得出橋面無損更換優(yōu)化控制條件[Δ ]，其計(jì)算公式如下：根據(jù)前面對(duì)城西大橋計(jì)算分析結(jié)果，利用公式3 計(jì)算得出控制條件[Δ ]=10.78mm。在具體施工時(shí)，要求吊桿處橋面標(biāo)高變化不能超過10mm。以此做為施工控制條件，城西大橋成功的完成了全部吊桿更換，并且橋面沒有發(fā)生開裂，實(shí)現(xiàn)了橋面無損更換。

5 結(jié)語

本文就如何在拱橋吊桿更換過程中保證橋面不開裂進(jìn)行了研究，主要得到以下結(jié)論：橋面鋪裝開裂主要發(fā)生在將原吊桿力轉(zhuǎn)移到臨時(shí)吊桿上，更換吊桿處橋面發(fā)生向上的位移時(shí)。如果控制不當(dāng)，橋面鋪裝會(huì)沿橫梁方向開裂，產(chǎn)生橫向裂縫。通過分析得出了保證橋面不開裂時(shí)的控制轉(zhuǎn)角[θ]，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，得到了橋面無損更換優(yōu)化控制條件[Δ ]。結(jié)合城西大橋的相關(guān)背景，通過計(jì)算分析得出的控制橋面標(biāo)高變化不超過10mm 來實(shí)現(xiàn)橋面無損更換，取得了良好的效果，證明了該方法是一個(gè)有效的施工控制方法，可以為同類工程提供參考。

[1]程華才，梅傳江，趙永寬.吊桿拱橋吊桿更換拉鎖工程的施工工藝[J].安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2003,11：1-6

[2]李文琪,賀立新.對(duì)宜賓小南門橋事故的思考[J].中國公路,2002(22):47-48.

[3]馬光述.橋面鋪裝層研究與應(yīng)用國內(nèi)外現(xiàn)狀[J].價(jià)值工程.2010,1:62-63