如海運河大橋可更換式吊桿體系的設(shè)計與分析

姚 波

（江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司常州分公司 常州 213000）

對于單孔跨徑在200m以上的大跨徑橋梁，多采用懸索橋、斜拉橋、懸索斜拉組合式橋、鋼桁架拱橋等橋型，造價相對較高，而對于60～200m范圍的中長跨徑橋梁而言，能夠參與競爭的橋型主要是混凝土拱橋和預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋。從我國近年來在高等級公路上實施的拱橋橋型來看，以中、下承式系桿拱橋居多，因其具有建筑高度小、跨越能力大，對地基承載力要求低、造型美觀、造價低等優(yōu)點而在諸多橋型中備受推崇。

由于我國在中、下承式系桿拱橋的建設(shè)起步較晚，經(jīng)驗不足，對此類橋型的設(shè)計存在一些問題和薄弱環(huán)節(jié)，通過對已發(fā)生問題橋梁的研究和總結(jié)，發(fā)現(xiàn)問題大多出現(xiàn)在吊桿上。早期建設(shè)的部分系桿拱橋由于設(shè)計上對吊桿的防護(hù)不足、施工上存在一定缺陷以及運營過程中的人為事故、養(yǎng)護(hù)缺乏等因素，造成吊桿存在破損現(xiàn)象，吊桿損壞較嚴(yán)重的橋梁不得不考慮更換吊桿，以保證結(jié)構(gòu)安全。

吊桿是將橋面系荷載傳遞給拱肋的重要構(gòu)件，從其受力性質(zhì)的不同，分為柔性吊桿和剛性吊桿，柔性吊桿為只受拉結(jié)構(gòu)，主要材料為高強(qiáng)鋼絲束或鋼絞線，外套PE套管。

采用此類型吊桿的系桿拱受力相對復(fù)雜，吊桿拉索張拉時，結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化較大，因此施工時索力調(diào)整較為困難，此種類型吊桿常用于較大跨徑的系桿拱橋。剛性吊桿是可受壓結(jié)構(gòu)，吊桿與拱肋（系桿）接點處由于固結(jié)通常會存在較小彎矩，因此剛性吊桿一般為偏壓構(gòu)件。剛性吊桿一般由拉索＋外套鋼管組成，內(nèi)部拉索受拉，外部鋼管受壓。因剛性吊桿內(nèi)部拉索張拉時，對相鄰的吊桿影響較小，因此施工時索力控制較為容易，對分批張拉的順序要求也不高。此種類型的吊桿通常用于中小跨徑的系桿拱橋。

剛性吊桿通常在拉索張拉完成后，在鋼管內(nèi)部灌注水泥漿，以防止鋼絲銹蝕。水泥漿凝固后，吊桿拉索和鋼管成為一個整體，拉索便不能抽出，今后如需換索，需將整根吊桿更換（包括外部鋼管），吊桿拆除更換工作較困難，且更換費用較高。因此，對于剛性吊桿的系桿拱橋，如何使得剛性吊桿在運營后方便換索，是提高橋梁耐久性的關(guān)鍵因素。

因此，我院在如海運河大橋的設(shè)計上，為提高橋梁耐久性，便于今后橋梁的養(yǎng)護(hù)，對吊桿形式進(jìn)行了優(yōu)化，采取了行之有效的可更換式吊桿，從而有效解決了剛性吊桿換索的問題。以下對該橋的設(shè)計概況和吊桿的設(shè)計形式、性能分析簡要介紹。

1 橋梁概況

如海運河大橋是一座下承式系桿拱橋（見圖1），主橋采用82.4m鋼筋混凝土系桿拱，計算跨徑80.3m，主橋過渡墩采用鋼筋混凝土矩形實體式橋墩，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。

圖1 如海運河大橋近景實照

主橋拱肋截面為工字形，拱肋軸線按二次拋物線變化，矢跨比為1／5；系桿為預(yù)應(yīng)力混凝土箱形截面，截面高度為1.9m，寬度為1.2m；吊桿為剛性吊桿，拉索采用PES（FD）7－37型成品索體，拉索錨具采用與之配套的LZM7－37型冷鑄錨。吊桿鋼管采用直徑×壁厚為245（外）mm×12mm無縫鋼管。

2 吊桿構(gòu)造設(shè)計

吊桿構(gòu)造形式是本橋設(shè)計的關(guān)鍵，在本橋最初的設(shè)計中，吊桿形式采用的是平行鋼絲＋外套鋼管的形式，具體為：吊桿拉索采用73φ5消除應(yīng)力鋼絲，外套為直徑×壁厚199（內(nèi)）×10mm無縫鋼管，鋼管內(nèi)用C50微膨脹水泥漿充實，吊桿錨具采用DM5A－73墩頭錨。見圖2。

圖2 主橋吊桿構(gòu)造圖

該吊桿基本沿用了早先系桿拱橋較為常用的剛性吊桿構(gòu)造形式，但在拉索和錨具方面進(jìn)行了改進(jìn)。早先的剛性吊桿設(shè)計中，拉索材料一般采用鋼絞線，錨具形式一般采用夾片式錨具，鋼絞線由夾片握裹在錐形錨孔中，被楔緊而錨固。因夾片錨容易滑絲，錨固時對鋼絞線還會產(chǎn)生一定損傷，會消弱拉索體系的抗疲勞性能，故目前系桿拱橋設(shè)計中已很少采用夾片錨。因此本橋在最初的吊桿設(shè)計中，將拉索材料和錨具形式進(jìn)行了改進(jìn)，采用了平行鋼絲配墩頭錨的形式。墩頭錨主要是依靠鋼絲的墩粗頭承壓進(jìn)行錨固，這種錨固形式更為可靠，不滑絲，應(yīng)力損失小，可保證吊桿的拉索與拱肋、系桿的連接更為牢固，使橋梁更為安全、可靠。

此種形式的吊桿須在鋼管內(nèi)部灌水泥漿充實，主要作用是防止空氣與水汽進(jìn)入鋼管內(nèi)部對鋼絲造成銹蝕。一但灌漿后，鋼絲、鋼管形成一個整體，以后如更換吊桿須將鋼絲、鋼管全部拆除，對結(jié)構(gòu)受力影響較大，且施工困難，造價高，無形中增加了今后橋梁養(yǎng)護(hù)的成本。因此，這種類型的吊桿最大的弊端就是無法換索。

本橋在施工圖咨詢與審查階段，較多專家對吊桿形式提出了不同意見和觀點，認(rèn)為設(shè)計中應(yīng)充分考慮吊桿的耐久性和可更換性。結(jié)合專家的意見，我院設(shè)計人員向拉索錨具生產(chǎn)廠家進(jìn)行了咨詢，了解到目前較為先進(jìn)的拱橋吊桿體系產(chǎn)品，并結(jié)合本橋的特點，對吊桿設(shè)計進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整。優(yōu)化后的吊桿拉索采用成品拉索，外套鋼管，鋼管內(nèi)部不灌漿。具體為：成品拉索型號采用PES（FD）7－37，鋼管為直徑×壁厚180（外）×8mm無縫熱鍍鋅鋼管，吊桿錨具采用更安全可靠的冷鑄墩頭錨。PES（FD）7－37拉索為低應(yīng)力防腐索體，該索體采用雙層HDPE保護(hù)，并在HDPE層之間設(shè)置一道隔離層，當(dāng)?shù)鯒U受靜荷載作用時，外層HDPE能有效地釋放應(yīng)力，使得外層HDPE始終處于較低應(yīng)力狀態(tài)下工作，有效解決HDPE應(yīng)力開裂問題。同時在索體鋼絲內(nèi)注防腐油脂，全封閉防腐，完全杜絕因毛細(xì)作用和意外的進(jìn)水造成索體鋼絲的腐蝕，提高吊桿的耐久性。索體構(gòu)造見圖3。

圖3 PES（PD）低應(yīng)力防腐索體構(gòu)造圖

在保證索體防腐的前提下，吊桿設(shè)計中還須考慮鋼管的防銹蝕和換索的可行性。吊桿鋼管及連接用鋼板的防銹是保證系桿拱橋安全良好使用的關(guān)鍵，施工時必須嚴(yán)格遵循有關(guān)操作規(guī)定進(jìn)行。設(shè)計中要求鋼管內(nèi)外面及鋼板外露面均應(yīng)進(jìn)行除銹，然后采用熱鍍鋅工藝對鋼管內(nèi)外面及鋼板外露面進(jìn)行鍍鋅防腐。

對于吊桿換索，考慮到換索的易操作性，設(shè)計中將張拉端錨頭置于拱肋外側(cè)，外套保護(hù)罩，并在罩內(nèi)填防腐油脂，以防錨具銹蝕。具體構(gòu)造見圖4。

圖4 主橋可更換式吊桿構(gòu)造圖

3 吊桿結(jié)構(gòu)分析

在吊桿構(gòu)造上滿足可更換性前提下，設(shè)計中對吊桿成橋階段、運營階段進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，并模擬換索施工階段對吊桿應(yīng)力進(jìn)行計算，以及假設(shè)某一吊桿鋼管銹蝕無法工作時對橋梁的受力進(jìn)行驗算，確保該形式吊桿的可行性、可靠性和安全性。

3.1 施工及成橋階段、通車運營階段吊桿應(yīng)力驗算

設(shè)計過程中首先對施工及成橋階段吊桿拉索及鋼管應(yīng)力進(jìn)行驗算，確定合理的構(gòu)造尺寸，以保證滿足規(guī)范要求。橋梁施工完成后即投入運營，因此需對運營通車后，橋梁在汽車荷載作用下的吊桿拉索及鋼管應(yīng)力進(jìn)行驗算。計算結(jié)果表明，吊桿鋼管及拉索在施工及成橋階段、橋梁運營階段均可滿足應(yīng)力要求（限于篇幅計算結(jié)果略）。

3.2 吊桿換索驗算

橋梁運營后，如某根拉索需要更換，首先需要拆除，即釋放需更換吊桿的拉索張拉力，此時，橋梁結(jié)構(gòu)受力會發(fā)生變化，應(yīng)力將重新分配。根據(jù)此工況，分別假設(shè)8號（中吊桿）和1號（邊吊桿）換索進(jìn)行計算，即驗算拆除8號或1號吊桿拉索后，其余吊桿是否滿足應(yīng)力要求。計算結(jié)果見表1，表2。

表1 拆除8號吊桿拉索后各吊桿鋼管應(yīng)力值MPa

表2 拆除8號吊桿拉索后其余吊桿拉索應(yīng)力值 MPa

上述計算結(jié)果表明，8號吊桿換索時，7～9號吊桿（自身及相鄰吊桿）鋼管受影響較大，均出現(xiàn)拉應(yīng)力，且7號和9號吊桿拉索應(yīng)力增大，但應(yīng)力均能滿足要求。

與此相同，對拆除1號吊桿拉索后吊桿鋼管和其余拉索進(jìn)行應(yīng)力驗算，計算結(jié)果見表3，表4。

表3 拆除1號吊桿拉索后各吊桿鋼管應(yīng)力值 MPa

表4 拆除1號吊桿拉索后其余吊桿拉索應(yīng)力值 MPa

上述計算結(jié)果表明，1號吊桿換索時，1～2號吊桿（自身及相鄰吊桿）鋼管受影響較大，均出現(xiàn)拉應(yīng)力，且2號和3號吊桿拉索應(yīng)力增大，但應(yīng)力均能滿足要求。

此外，同時就以上2種工況對全橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析驗算，各項指標(biāo)均能滿足規(guī)范要求，限于篇幅，不再展開敘述。

通過上述驗算可以看出，成橋后對吊桿拉索進(jìn)行單根更換，橋梁各構(gòu)件均可滿足受力要求，說明更換吊桿拉索是安全可行的。

3.3 吊桿鋼管失效驗算

對于系桿拱橋，后期養(yǎng)護(hù)是至關(guān)重要的，是保證橋梁長期安全運營的關(guān)鍵工作。養(yǎng)護(hù)工作的主要內(nèi)容之一是對橋梁鋼構(gòu)件的防腐，簡單講就是定期除銹涂漆。如養(yǎng)護(hù)工作不到位，可能會出現(xiàn)某一吊桿鋼管損壞失效，即損壞的吊桿鋼管不再參與受力，或吊桿損壞嚴(yán)重需更換，需更換的吊桿鋼管拆除后將不再參與受力。模擬此工況，設(shè)計中假定將8號吊桿鋼管（中吊桿）拆除進(jìn)行驗算。計算結(jié)果見表5～表7。

表5 8號吊桿鋼管失效后正常使用階段吊桿鋼管應(yīng)力驗算 MPa

表6 8號吊桿鋼管失效后正常使用階段拉索應(yīng)力驗算 MPa

表7 8號吊桿鋼管失效成橋階段拉索應(yīng)力驗算 MPa

上述計算結(jié)果表明，當(dāng)8號吊桿鋼管失效或拆除后，相鄰兩根吊桿鋼管（7號和9號）壓應(yīng)力增大，但增幅較小，能夠滿足應(yīng)力要求。拉索應(yīng)力在使用階段變化不明顯，滿足應(yīng)力要求，在成橋階段可以看出，8號吊桿拉索應(yīng)力降低30MPa，7號和9號吊桿拉索應(yīng)力降低5MPa，其余吊桿拉索應(yīng)力基本不影響。同時，8號吊桿處系桿截面上緣應(yīng)力在成橋階段降低0.4MPa，下緣應(yīng)力增加0.4MPa（正常狀態(tài)成橋階段時上、下緣應(yīng)力分別為8.5MPa和6.9MPa，考慮鋼管拆除后上、下緣應(yīng)力分別為8.1MPa和7.3MPa），說明在正常使用階段吊桿鋼管失效對系桿應(yīng)力影響不明顯。因此可以看出，當(dāng)一根吊桿鋼管失效時，對整個橋梁不會產(chǎn)生太大影響，仍能滿足正常使用要求。

3.4 吊桿鋼管穩(wěn)定性驗算

吊桿鋼管屬偏心受壓的長細(xì)構(gòu)件，對于此種構(gòu)件，還需進(jìn)行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗算，以防出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞的情況。計算結(jié)果表明，鋼管穩(wěn)定性安全系數(shù)較高，能夠滿足穩(wěn)定性要求（計算結(jié)果略）。

4 結(jié)語

通過上述分析可以看出，對于剛性吊桿的系桿拱橋，采用成品拉索外套空鋼管的吊桿體系是切實可行的，這種吊桿體系不僅解決了今后換索的問題，吊桿本身的防腐性能和安全度都得到大幅度的提高，是符合橋梁耐久性設(shè)計要求的。

該橋已于2010年11月正式通車，運營至今，結(jié)構(gòu)狀況良好。在施工過程中，橋梁監(jiān)控單位對該橋進(jìn)行了吊桿更換方法、吊桿更換過程結(jié)構(gòu)受力性能、吊桿可更換構(gòu)造設(shè)計方面的課題研究，通過換索過程的真實模擬操作，也進(jìn)一步證明了本橋吊桿體系的可更換性。以上介紹較為籠統(tǒng)，拋磚引玉，期望本文所分析的可更換式吊桿體系能對類似橋梁工程的建設(shè)提供有益的參考。

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［2］ GB 50017－2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國計劃出版社，2003.

［3］ 金成棣.預(yù)應(yīng)力混凝土拱梁組合橋梁設(shè)計研究與實踐［M］.北京：人民交通出版社，2001.

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