飛燕式系桿拱橋的系桿更換方案探討

李宇 彭世恩 林桂萍

摘要：以一座主跨202 m的飛燕式系桿拱橋?yàn)檠芯繉?duì)象，對(duì)該橋的系桿更換措施提出了幾種方案，比較其優(yōu)缺點(diǎn)，確定了最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，對(duì)系桿拱橋的系桿更換設(shè)計(jì)和施工有一定的參考價(jià)值。

[作者簡(jiǎn)介]李宇（1973—），男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事公路工程設(shè)計(jì)與管理。

系桿拱橋是由拱、系桿、吊桿和橋面系梁板等協(xié)同工作的組合結(jié)構(gòu)體系，以系桿（或系梁）承受拱腳的水平推力為主要特征大跨度橋梁形式。由于其橋梁形式優(yōu)美，經(jīng)濟(jì)性較好，所以20世紀(jì)90年代得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。對(duì)于初期建設(shè)的大跨系桿拱橋，系桿作為永久性結(jié)構(gòu)構(gòu)件，一般采用系桿箱內(nèi)填塞瀝青麻絮和黃油等防腐后外包混凝土結(jié)構(gòu)形式，大多未考慮到后期系桿受力檢測(cè)和更換需要。在后期橋梁運(yùn)營(yíng)過程中，由于系桿自身防護(hù)不足引起索體出現(xiàn)不同程度的損傷和破壞現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》1.0.4條中，將橋梁斜拉索、吊桿、系桿等的設(shè)計(jì)使用年限規(guī)定為20年，系桿在出現(xiàn)病害或達(dá)到使用年限后需更換系桿或?qū)ο禇U補(bǔ)強(qiáng)，以保證橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)安全。

1 工程概況

該橋主橋?yàn)轱w燕式無推力中承式鋼管混凝土系桿拱橋，其主孔跨布置為（46+202+46） m，全橋總長(zhǎng)544.7 m。橋面布置為4×3.75 m（行車道）+2×3.0 m（非機(jī)動(dòng)車道及人行道），主橋?qū)?6.2 m，引橋?qū)?2.5 m。設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)：汽-20級(jí)，掛-100，于1998年建成通車。橋梁現(xiàn)狀照片如圖1所示。

2015年對(duì)該橋進(jìn)行了全面的適應(yīng)性評(píng)定檢測(cè)，在對(duì)系桿箱開箱檢查中發(fā)現(xiàn)系桿銹蝕、一根鋼絞線斷裂等病害，此病害威脅到橋梁結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營(yíng)，考慮到橋梁系桿已達(dá)到20年的設(shè)計(jì)年限，橋梁將面臨拆除重建及系桿更換兩難選擇，經(jīng)綜合評(píng)估，最終選擇系桿更換作為論證方向。

2 更換系桿方案設(shè)計(jì)

原系桿（16對(duì)18根高強(qiáng)低松弛鋼絞線）錨固在邊拱肋上，錨固長(zhǎng)度達(dá)16.8 m，系永久性構(gòu)件，采用的原系桿錨固段布置及系桿橫斷面如圖2、圖3所示。

針對(duì)本橋現(xiàn)狀，結(jié)合計(jì)算分析，并充分討論，對(duì)系桿更換提出了3種方案：

（1）方案一：在系桿拱腳位置增設(shè)臨時(shí)系桿將拱腳水平力轉(zhuǎn)換，切除錨箱內(nèi)系桿，將其更換為成品的鋼絞線，保留原錨固段系桿，將錨箱內(nèi)新系桿與錨固段舊系桿連接后再進(jìn)行張拉，最后將水平力轉(zhuǎn)移到新增系桿上。本方案新舊系桿的連接和張拉施工較復(fù)雜，而且在新舊系桿連接部位鋼絞線受力較為薄弱，影響后期結(jié)構(gòu)受力，存在一定風(fēng)險(xiǎn)（圖4）。

（2）方案二：廢棄原位于橋面以下的系桿及錨固系統(tǒng)，在原系桿錨固位置上方增設(shè)錨塊，通過植筋與原錨固結(jié)合，在原系桿對(duì)應(yīng)的橋面上方新設(shè)系桿，逐根張拉新系桿、逐根解除原系桿。本方案錨固段存在新舊混凝土結(jié)合面，受力狀態(tài)復(fù)雜，新系桿調(diào)整到原系桿上方，和原系桿受力比較，拉力上移，原邊跨產(chǎn)生附加彎矩，需設(shè)置拉壓支座或配重予以克服（圖5）。

（3）方案三：通過在拱腳增設(shè)臨時(shí)系桿，逐根張拉、逐根解除原系桿，將水平力轉(zhuǎn)換到臨時(shí)系桿。對(duì)錨固段全部拆除重建，將原系桿全部原位更換為成品鋼束。逐根張拉新系桿、逐根解除臨時(shí)系桿，完成受力體系第二次轉(zhuǎn)換。更換系桿的主要步驟包括：①搭設(shè)邊拱段的臨時(shí)支撐，吊離相鄰跨空心板為后續(xù)工作騰出工作面;②在拱腳增設(shè)臨時(shí)系桿，將原系桿逐根切斷，將原系桿拉力有序轉(zhuǎn)換至臨時(shí)系桿上;③待原系桿力全部轉(zhuǎn)換至臨時(shí)系桿后，拆除主橋邊跨行車道板及原系桿錨固段，設(shè)置新系桿的預(yù)埋鋼管和錨具，整體現(xiàn)澆恢復(fù)錨固段及邊跨行車道板;④逐步將本次新增成品系桿通過張拉替換臨時(shí)系桿，達(dá)到最終成橋狀態(tài)（圖6）。

3種方案的優(yōu)缺點(diǎn)比較如表1所示。

經(jīng)過業(yè)主和專家組等多方論證后，最終確定采用了方案三作為實(shí)施方案。此方案實(shí)施后能夠延長(zhǎng)此橋梁安全運(yùn)營(yíng)壽命20年以上，比拆除重建方案節(jié)約投資近2.0億元。

采用方案三作為推薦方案：拆除原錨固段邊跨重新澆筑為整體的空心箱梁，錨固點(diǎn)水平分布于梁體端部，在邊拱端部位置增設(shè)錨塊，便于臨時(shí)系桿錨固和張拉，新系桿（10對(duì)31根高強(qiáng)低松弛鋼絞線）采用31孔可換索式系桿錨具，每根系桿錨頭處設(shè)置一套壓力傳感器，跨中設(shè)置一套磁通量傳感器，便于后期監(jiān)控索力變化（圖7、圖8）。

3 推薦方案的結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

本橋加固設(shè)計(jì)總體計(jì)算采用橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件MIDAS/Civil，模型離散見圖9所示。

3.1 主拱承載能力驗(yàn)算

經(jīng)過計(jì)算，該橋加固后，主拱拱圈承載能力滿足JTG/T D65-06-2015《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，計(jì)算結(jié)果如表2、表3所示。

3.2 吊桿驗(yàn)算

此次加固完成后，在持久狀況和短暫狀況下的吊桿索力的最大值為Nmax=1806 kN，吊索的承載能力N=fpkAs=1860×2660/1000=4947.6 kN，N/Nmax=2.7>γs=2.5。

故吊桿索承載能力滿足規(guī)范要求。

3.3 新系桿驗(yàn)算

此次加固完成后，在持久狀況和短暫狀況下的新系桿索力的最大值為Nmax=3461 kN，系桿索的承載能力N=fpkAs=1860×4340/1000=8072.4 kN，N/Nmax=2.3>γs=2.0。

故新系桿索承載能力滿足規(guī)范要求。

3.4 臨時(shí)系桿驗(yàn)算

加固過程中，臨時(shí)系桿索的最大拉力為為Nmax=1859 kN，系桿索的承載能力N=fpkAs=1860×2100/1000=3906 kN，N/Nmax=2.1>γs=1.8。

故臨時(shí)系桿承載能力滿足規(guī)范要求。

3.5 臨時(shí)錨固塊驗(yàn)算

臨時(shí)錨固塊主要驗(yàn)算抗剪截面（見圖10中粗線）承載力是否滿足要求。通過計(jì)算，臨時(shí)錨固塊的抗剪承載力的安全系數(shù)為1.43，滿足施工要求（表4）。

通過計(jì)算可知，本橋維修加固后結(jié)構(gòu)受力滿足相關(guān)規(guī)范要求。該橋經(jīng)過約7個(gè)月施工，在參建各單位的共同努力下，順利完成該橋的系桿更換和其他病害整治工作，從檢測(cè)結(jié)果及運(yùn)行情況看，橋梁狀態(tài)良好，到達(dá)了設(shè)計(jì)目的，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。

4 結(jié) 論

（1）對(duì)該橋中承式鋼管混凝土拱橋系桿更換方案提出了3種方案，有效探索此類橋梁系桿后期更換實(shí)踐的難題。

（2）在對(duì)系桿更換的方案比選中，需綜合考慮結(jié)構(gòu)安全和環(huán)境景觀等問題，盡量做到技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、耐久適用和經(jīng)濟(jì)合理。

（3）對(duì)于系桿這種原設(shè)計(jì)更換考慮不充分構(gòu)件，在更換設(shè)計(jì)中需滿足后期可到達(dá)、可檢查、可維修和可更換的要求。

（4）本文最終采用的原位更換系桿方案屬同類橋梁首次采用，雖面臨無成功經(jīng)驗(yàn)借鑒、施工難度較大等困難，但在足夠基礎(chǔ)資料支撐下，通過充分分析論證、精細(xì)設(shè)計(jì)、精心組織施工，最終達(dá)到了良好的效果。該橋系桿更換方案對(duì)廣大橋梁設(shè)計(jì)人員和施工人員具有參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 彭世恩，曹火勇，郝天之.系桿有效力對(duì)系桿拱橋的敏感性分析[J].西部交通科技，2020（1）： 70-73.

[2] 公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范： JTG/T D65-06-2015[S].