鋼管混凝土系桿拱橋吊桿更換預(yù)案研究

韋春陸

（南京市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，江蘇 南京210008）

0 引言

吊桿是鋼管混凝土系桿拱橋的主要受力構(gòu)件，在其使用年限內(nèi)，對其養(yǎng)護(hù)的好壞直接決定著橋梁的耐久性和安全性能。吊桿在使用年限內(nèi)突然斷裂失效或達(dá)到使用年限時(shí)進(jìn)行更換，對橋梁結(jié)構(gòu)在安全和營運(yùn)方面所產(chǎn)生的影響，是人們在進(jìn)行此類橋梁養(yǎng)護(hù)過程中所必須面對的難題之一，國內(nèi)也出現(xiàn)了不少此類橋梁因吊桿受力失效而倒塌的事故。此前，位于常州境內(nèi)的232省道運(yùn)村運(yùn)河大橋西半幅因汽車超載而造成橋梁吊桿斷裂失效而直接導(dǎo)致橋梁整體結(jié)構(gòu)的突然坍塌；四川省宜賓長江大橋因橋梁結(jié)構(gòu)病害而使吊桿失效倒塌。

目前，國內(nèi)尚未出臺關(guān)于該類橋梁完整的設(shè)計(jì)規(guī)范，更無成熟的使用和養(yǎng)護(hù)經(jīng)驗(yàn)可供借鑒。如何對這些已建橋梁進(jìn)行規(guī)范化管理、及時(shí)進(jìn)行吊桿的檢查、養(yǎng)護(hù)維修及更換工作，最大限度地延長橋梁的使用壽命已成為人們必須面臨的新課題。因此，有必要對鋼管混凝土系桿拱橋吊桿養(yǎng)護(hù)、更換技術(shù)進(jìn)行研究，以便有計(jì)劃地改善此類橋梁結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀態(tài)，確保橋梁的安全運(yùn)營，最大限度地延長橋梁的使用壽命，提高其社會經(jīng)濟(jì)效益。

在國外，特別是英美等西方發(fā)達(dá)國家，橋梁的養(yǎng)護(hù)、健康檢測和修補(bǔ)加固在橋梁領(lǐng)域占主導(dǎo)地位，他們投入了大量的人力物力對橋梁的養(yǎng)護(hù)和健康檢測進(jìn)行研究，業(yè)已形成較完善的橋梁養(yǎng)護(hù)制度。特別是大型橋梁，由于其重要地位和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)受力形式，根據(jù)環(huán)境條件和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對每座橋梁都建立了專門的技術(shù)檔案，養(yǎng)護(hù)制度和健康檢測體系，以科學(xué)的方法準(zhǔn)確地把握橋梁的工作狀態(tài)，對可能出現(xiàn)的隱患及時(shí)地預(yù)報(bào)和評估，及早采取適當(dāng)?shù)拇胧┍苊鈽蛄旱膰?yán)重?fù)p害，延長橋梁的使用壽命，以確保橋梁的安全運(yùn)營。

1 工程背景

南京棲霞大橋（見圖1、圖2）位于緯一路上，主橋上部結(jié)構(gòu)為三跨下承式系桿拱橋。計(jì)算跨徑中跨為86.5 m，邊跨為76.5 m，矢跨比為1/4.5，拱軸線形式為二次拋物線。拱肋為鋼管混凝土，斷面形式為圓端扁形鋼管，上部結(jié)構(gòu)為剛性拱剛性梁，橫向?yàn)閮傻拦袄撸瑔嗡髅娴鯒U形式。橋梁吊桿采用φ5高強(qiáng)鋼絲組成的平行鋼絲索配鐓頭錨，中跨單側(cè)拱肋設(shè)置10對吊桿，邊跨單側(cè)設(shè)置9對吊桿。

棲霞大橋使用至今已逾十載，橋梁現(xiàn)狀病害也較為嚴(yán)重，按公路橋梁養(yǎng)護(hù)規(guī)范，該橋梁已達(dá)到D類橋[1]狀況。在進(jìn)行橋梁消險(xiǎn)改造過程中，因鋼管系桿拱主橋主要受力構(gòu)件——吊桿未達(dá)到更換要求而未進(jìn)行換索施工。但吊桿下錨處在運(yùn)營期間，已出現(xiàn)不同程度的銹蝕現(xiàn)象，橋梁吊桿斷裂的可能危害仍然存在。

2 預(yù)案研究

2.1 研究目的及方式

該橋在多年運(yùn)營后，耐久性有較大降低，橋梁在運(yùn)營階段多種因素作用下吊桿存在突然斷裂的可能性，因此該橋存在一定的安全隱患。

為分析主拱肋吊桿在后期使用過程中出現(xiàn)突然性的斷裂破壞或吊桿達(dá)到使用年限后對其進(jìn)行更換時(shí)，對橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、營運(yùn)及受力情況所造成的影響，進(jìn)行更換吊桿的應(yīng)急預(yù)案研究工作，以便橋梁在吊桿出現(xiàn)不同破壞狀況時(shí)及時(shí)應(yīng)對處置，減小由其帶來的社會負(fù)面影響和損失。

2.2 研究內(nèi)容

（1）針對單根吊桿或兩根吊桿突然斷裂情形，分析橋梁的內(nèi)力和變形狀態(tài)，評估斷裂事故發(fā)生后橋梁結(jié)構(gòu)的安全性。

（2）進(jìn)行吊桿更換的預(yù)案研究，結(jié)合橋位與結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，提出單根和多根吊桿更換方案，以及全橋吊桿的更換方案。

2.3 研究方法

為達(dá)到上述研究目的，采取模擬吊桿斷裂工況的仿真分析方法，步驟如下：

（1）采用剛性支承連續(xù)梁法[2]理論，計(jì)算得到合理成橋吊桿索力；

（2）采用空間桿系有限元程序建立全橋模型，分析橋梁受力狀態(tài)；

（3）針對中跨和邊跨，分別計(jì)算單根吊桿斷裂和兩根吊桿斷裂情況下的橋梁內(nèi)力、應(yīng)力及變形，并評價(jià)對結(jié)構(gòu)安全性帶來的影響；

（4）提出單根吊桿和多根吊桿的更換方案，給出建議性的施工方法與關(guān)鍵措施；

（5）提出全橋吊桿同時(shí)更換的方案，給出建議性的施工方法與關(guān)鍵措施。

3 研究結(jié)果

針對橋梁運(yùn)營情況及現(xiàn)狀交通狀況進(jìn)行了結(jié)構(gòu)空間的仿真模擬和計(jì)算分析，對全橋吊桿在單根斷裂、兩根斷裂的情況下橋梁的安全性進(jìn)行評估與判斷。該橋邊跨與中跨吊桿布置見圖3、圖4所示。

3.1 吊桿斷裂狀況評價(jià)

（1）吊桿內(nèi)力變化：在橋梁養(yǎng)護(hù)情況較好、無其他損傷的情況下，若單根或兩根吊桿發(fā)生斷裂，同側(cè)吊桿的拉力變化值大于對邊吊桿的拉力變化值，相鄰的兩根吊桿的拉力增大值在20%～60%之間，吊桿最大拉應(yīng)力將遠(yuǎn)低于抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，吊桿內(nèi)力變化能滿足承載力要求，不會引起其他吊桿的連鎖斷裂，也不至于影響整體橋梁結(jié)構(gòu)的安全性。吊桿斷裂時(shí)吊桿內(nèi)力變化如表1、表2所列。

表1 單根吊桿斷裂同側(cè)吊桿內(nèi)力變化值一覽表

表2 兩根吊桿斷裂同側(cè)吊桿內(nèi)力變化值一覽表

（2）系梁內(nèi)力變化：對于中跨，若發(fā)生單根吊桿斷裂，最不利情況是4號或8號吊桿發(fā)生斷裂，系梁下緣將出現(xiàn)1 MPa左右拉應(yīng)力；對于邊跨，若單根吊桿斷裂，最不利情況是第7號或第9號吊桿斷裂，系梁下緣將出現(xiàn)1 MPa左右拉應(yīng)力。結(jié)構(gòu)均尚未達(dá)到開裂破壞狀況。

而兩根吊桿斷裂時(shí)，對于中跨若5號和6號或9號和10號吊桿同時(shí)斷裂，系梁下緣將出現(xiàn)3 MPa左右拉應(yīng)力。對于邊跨若5號和6號或9號和10號吊桿同時(shí)斷裂，系梁下緣將出現(xiàn)3 MPa左右拉應(yīng)力。雖然不會引起其他吊桿的斷裂，但是會引起吊桿斷裂處相應(yīng)的系梁下緣開裂。

（3）端橫梁內(nèi)力變化：若單根吊桿或雙根吊桿斷裂，端橫梁的彎矩變化值均大于中橫梁的彎矩變化值，最大值分別為172 kN·m和499 kN·m，占恒荷載作用下最大彎矩的1.11%和3.2%。

（4）位移變化：若單根吊桿斷裂，在各斷裂工況下，全橋豎向位移小于3 cm，縱向位移小于2 cm，橫向位移小于1 cm。雙根吊桿斷裂時(shí)，在各斷裂工況下，全橋豎向位移小于4 cm，縱向位移小于2 cm，橫向位移小于1 cm。可見單根吊桿斷裂或兩根吊桿斷裂對全橋變形影響不大。

（5）對比單根吊桿斷裂和兩根吊桿斷裂的分析結(jié)果，可知兩根吊桿斷裂后的結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力狀態(tài)變化值大于單根吊桿斷裂后的整體內(nèi)力變化值。

3.2 吊桿斷裂引起的橋梁耐久性評估

通過研究表明，吊桿斷裂時(shí)橋梁不會出現(xiàn)連鎖現(xiàn)象，橋梁整體性較好，主要受力構(gòu)件不出現(xiàn)損壞。但是，若出現(xiàn)兩根相鄰吊桿同時(shí)斷裂時(shí)，系梁構(gòu)件會出現(xiàn)3 MPa左右的拉應(yīng)力，可能會出現(xiàn)局部開裂現(xiàn)象及既有裂縫的展開，從而降低了系梁混凝土構(gòu)件的耐久性與安全性能。因此，應(yīng)對現(xiàn)有橋梁系梁構(gòu)件進(jìn)行裂縫的調(diào)查與修復(fù)處理，提高橋梁的耐久性與安全性。

4 吊桿更換方案

在吊桿更換的具體方法上，一般需要將被更換吊桿的力轉(zhuǎn)移到臨時(shí)受力構(gòu)件上，拆掉舊吊桿，安裝新吊桿，再把臨時(shí)構(gòu)件上的力轉(zhuǎn)移到新吊桿上來，更換的過程經(jīng)過兩次體系轉(zhuǎn)換，即索力由舊吊桿向臨時(shí)構(gòu)件上轉(zhuǎn)移，再由臨時(shí)構(gòu)件上向新吊桿上轉(zhuǎn)移，并最終完成吊桿的更換[3]。不同的臨時(shí)構(gòu)件需根據(jù)地形地貌和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的形式因地制宜地選取。

針對該橋?qū)崨r，建議對單根吊桿更換選用拱肋兜吊法和臨時(shí)桁架兜吊法，對多根吊桿和全橋吊桿更換時(shí)采用臨時(shí)托架更換法。

4.1 拱肋兜吊法

拱肋兜吊法（見圖5）是采用鋼絲繩將橫梁或縱梁直接兜吊在主拱上，然后分批卸除吊桿索力，每次對吊桿索力卸除后要對臨時(shí)兜吊系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)拉，以平衡吊桿索力的減少。吊桿索力卸除至零后拆除舊吊桿，然后安裝新吊桿并進(jìn)行張拉，直至張拉到目標(biāo)值。

4.2 臨時(shí)桁架兜吊法

臨時(shí)桁架兜吊法（見圖6）是采用鋼絲繩將橫梁或縱梁兜吊在橋面上搭設(shè)的鋼桁架，然后分批卸除吊桿索力，每次對吊桿索力卸除后要對臨時(shí)兜吊系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)拉，以平衡吊桿索力的減少。吊桿索力卸除至零后拆除舊吊桿，然后安裝新吊桿并進(jìn)行張拉，直至張拉到目標(biāo)值。

4.3 臨時(shí)支架法

臨時(shí)支架法（見圖7）是在被更換吊桿下吊點(diǎn)的橫梁或縱梁下設(shè)置臨時(shí)支架，在吊桿卸載后，臨時(shí)支架將代替被更換吊桿支撐住橫梁或縱梁，以防止此處橋面過大變形，確保吊桿更換過程中橋梁的安全。該法吊桿更換時(shí)引起各吊桿處的橋面垂直位移、拱肋垂直位移的變化很微小，而更換吊桿附近的幾個(gè)吊桿的索力變化則相對大一些。

5 結(jié)語

（1）對剛性拱剛性梁的系桿拱橋，不易出現(xiàn)吊桿斷裂的連鎖現(xiàn)象，橋梁安全度較高。

（2）系桿拱橋應(yīng)定期進(jìn)行吊桿的維護(hù)，重點(diǎn)是對吊桿下封錨的錨具與鋼絲銹蝕檢查與防腐處治[4]。

[1]CJJ 99-2003，城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范[S].

[2]葉建龍，孫建淵，席廣恒.梁拱組合橋柔性吊桿張拉力的確定及分析[J].東北公路，2002，23（1）：44～47.

[3]羅向榮.某系桿拱橋新增吊桿替代舊吊桿技術(shù)研究[J].貴州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，29（3）：116-118.

[4]陳業(yè)平.鋼管混凝土系桿拱橋質(zhì)量控制與養(yǎng)護(hù)管理[J].現(xiàn)代交通技術(shù)，2010，7（3）：61-63.