中承式鋼管混凝土拱橋吊桿更換施工技術(shù)分析與研究

文/葉智威 深圳市路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司 廣東深圳 518000

現(xiàn)如今鋼管混凝土拱橋在我國(guó)廣泛應(yīng)用，中承式與下承式拱橋作為主要的橋型，吊桿是其傳力構(gòu)件，能夠?yàn)楣皹驑蛎婧爿d與活載提供支撐，讓拱肋起到作用。隨著城鄉(xiāng)交通量的增加，很多鋼管混凝土拱橋都是早期建設(shè)的，這些拱橋的吊桿出現(xiàn)了磨損和腐蝕的問(wèn)題，不利于拱橋的使用耐久性，也對(duì)拱橋的承載能力帶來(lái)安全隱患。如何正確更換吊桿，保證拱橋結(jié)構(gòu)安全，是本文的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。

1、工程概況

以某處橋梁為例，該橋梁的上端為一孔凈跨46m的中承式鋼管混凝土肋拱，其凈矢跨比為三分之一。該處拱橋的拱肋屬于明顯的二次拋物線，800×14mm鋼管內(nèi)部灌有C30的混凝土，在鋼管與混凝土的綜合作用下組成了拱橋的拱肋斷面。橋面以下使用了 600×8mm鋼管下橫撐與斜撐，拱橋上使用了?700×10mm鋼管的上橫撐，使拱橋兩肋成為了一個(gè)整體。鋼管混凝土拱橋橋面由現(xiàn)澆鋼筋混凝土橫梁、縱梁與橋面板組成，吊桿部分屬于109絲?5的高強(qiáng)度鋼絲構(gòu)成，外部帶有PE材料防護(hù)。該拱橋的原有設(shè)計(jì)中，橋臺(tái)就是重力橋臺(tái)，荷載為汽-20級(jí)、掛-100、人群荷載為每平方米3.5kN。鋼管混凝土拱橋的橋面寬為-12+2×0.25防護(hù)欄+2×0.8拱肋+2×1.75人行道+2×0.2欄桿=18m，該橋是典型的中承式鋼管混凝土拱橋[1]。

2、橋梁檢驗(yàn)結(jié)果分析

近年來(lái)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展使人們的生活水平顯著提高，在馬路上行駛的車輛越來(lái)越多，使該中承式鋼管混凝土拱橋承受的交通荷載也在激增，橋梁開始呈現(xiàn)出不同形式的病害現(xiàn)狀。為了加強(qiáng)對(duì)該鋼管混凝土拱橋的受力分析，研究人員對(duì)該橋梁的外部情況與內(nèi)部靜動(dòng)載進(jìn)行了檢測(cè)，并得出了檢測(cè)結(jié)果。得知該拱橋的鋼管拱肋處出現(xiàn)了明顯的銹蝕問(wèn)題，且拱橋吊桿處已經(jīng)發(fā)生了漏油與滲水現(xiàn)象，橋梁的衡量與縱梁存在不同程度的裂縫，少部分錨頭和錨板已經(jīng)嚴(yán)重銹蝕。在該拱橋的靜載測(cè)試中，得到的實(shí)際測(cè)量值已經(jīng)明顯超過(guò)了理論值，但是橋梁的動(dòng)力特性依然在合理范圍內(nèi)，說(shuō)明該拱橋可以繼續(xù)使用，但必須以修繕為前提。經(jīng)過(guò)研究與探討，人們決定首先對(duì)鋼管混凝土拱橋的吊桿部分進(jìn)行更換[2]。

3、中承式鋼管混凝土拱橋吊桿更換設(shè)計(jì)

3.1 選擇新吊桿

該中承式鋼管混凝土拱橋當(dāng)前使用的吊桿是109絲?5的高強(qiáng)度平行鋼絲束，墩頭錨吊桿，是我國(guó)國(guó)內(nèi)大多數(shù)拱橋使用的吊桿類型。分析該吊桿的優(yōu)缺點(diǎn)，具體如下：（1）平行鋼絲與墩頭錨。優(yōu)點(diǎn)在于錨具加工十分簡(jiǎn)單，且錨具尺寸小，回縮量?。蝗秉c(diǎn)是鋼絲下料與墩頭質(zhì)量無(wú)法得到保證，且防腐能力不理想。（2）平行鋼絲與冷鑄墩頭錨。優(yōu)點(diǎn)在于其錨固性能較高；缺點(diǎn)為錨頭尺寸過(guò)大。（3）鋼絞線與夾片錨。優(yōu)點(diǎn)在于防腐性能良好，有著較強(qiáng)的抗震性；缺點(diǎn)為錨頭尺寸過(guò)大，動(dòng)荷載下夾片容易發(fā)生松動(dòng)現(xiàn)象。

經(jīng)過(guò)分析與研究，拱橋新吊桿建議使用平行鋼絲+冷鑄墩頭錨，或者是鋼絞線整束擠壓錨。但是冷鑄墩頭錨的頭部尺寸過(guò)大，無(wú)法順利通過(guò)鋼管混凝土拱橋的拱肋處，不能在橫梁預(yù)埋鋼管內(nèi)準(zhǔn)確通過(guò)。對(duì)此，經(jīng)過(guò)一致研究，人們決定在本次吊桿更換施工中應(yīng)用成品形式的鋼絞線整束擠壓式吊桿。這種吊桿的索體為鋼絞線索體，鋼絞線的選擇有很多，例如光面鋼絞線、環(huán)氧噴涂鋼絞線或者鍍鋅鋼絞線等。圖1為該中承式鋼管混凝土拱橋新吊桿的構(gòu)造示意圖[3]。

3.2 新吊桿受力分析

為鋼管混凝土拱橋選擇新吊桿的同時(shí)，還要對(duì)其受力加以分析，以此保證新吊桿的荷載能力滿足當(dāng)前交通環(huán)境下對(duì)拱橋的需求。研究人員使用了“橋梁博士3.2.0”軟件程序，對(duì)該拱橋進(jìn)行平面模型的建立，并計(jì)算橋梁的吊桿力。在模型中，不僅包含拱肋與吊桿，還包含了橋梁衡量自重模擬和欄桿重量模擬。研究人員應(yīng)用杠桿法對(duì)拱橋活載橫向分布系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并在計(jì)算機(jī)“Midas2010”應(yīng)用軟件的輔助下完成數(shù)據(jù)的校對(duì)與核算，得出了該大橋結(jié)構(gòu)Midas空間計(jì)算模型和喬博士平面計(jì)算模型。最終，人們確定選用GJ15-15型號(hào)的整束擠壓式吊桿，鋼絞線橫截面積具體為20.85平方厘米。過(guò)去拱橋的舊吊桿鋼絲束橫截面積為21.4平方里面，兩個(gè)數(shù)值相似，相互更換后能夠滿足鋼管混凝土拱橋?qū)Φ鯒U力與應(yīng)力的需求。

3.3 新吊桿的技術(shù)要求

本次鋼管混凝土拱橋吊桿更換施工中，鋼絞線的應(yīng)用符合GB/T5224-2003的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為 s15.2的高強(qiáng)低松弛鋼絞線，抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到1860MPa。對(duì)于單根鋼絞線，經(jīng)過(guò)測(cè)驗(yàn)，可以滿足200萬(wàn)次的應(yīng)力荷載，其應(yīng)力幅度最大為837MPa，最小為477MPa，在該區(qū)間內(nèi)鋼絲不會(huì)發(fā)生斷裂現(xiàn)象。成品GJ15-15吊桿能夠滿足相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，鋼絞線的成品吊桿錨具也能夠滿足行業(yè)技術(shù)指標(biāo)要求，但疲勞試驗(yàn)應(yīng)力的幅度應(yīng)擴(kuò)大到200MPa，最大限度上保證吊桿更換后拱橋的安全通行。

在可靠的動(dòng)力荷載下，錨固施工工藝應(yīng)有效防止其發(fā)生滑動(dòng)，錨具和索體的接頭處應(yīng)做好防腐處理工作，建議施工人員對(duì)吊桿與錨固系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)钠谠囼?yàn)，以此了解吊桿和錨固系統(tǒng)的抗疲勞能力。建議在鋼絞線吊桿處這年HDPE防護(hù)層，并按照《建筑纜索用高密度聚乙烯塑料》的具體要求進(jìn)行防護(hù)層安裝。

4、中承式鋼管混凝土拱橋吊桿更換施工技術(shù)分析

4.1 吊桿更換流程

該中承式鋼管混凝土拱橋的吊桿更換中，研究人員決定使用橋梁拱頂提升平臺(tái)張拉千斤頂?shù)姆桨福箻蛄簷M梁順利提升。該吊桿更換施工中包含了舊吊桿的拆除和新吊桿的安裝，也包含張拉調(diào)索和相關(guān)部位的防護(hù)處理工作。分析該鋼管混凝土拱橋處的單根吊桿更換施工流程，具體如下：（1）施工準(zhǔn)備工作。（2）測(cè)量并收集鋼管混凝土拱橋的橋面標(biāo)高和相關(guān)參數(shù)。（3）安裝施工平臺(tái)、橫梁兜吊系統(tǒng)、移動(dòng)支架、人行道板，提高索體位置，并在該處鉆孔施工。（4）抬升橫梁，按照測(cè)量標(biāo)高的數(shù)據(jù)將舊吊桿割斷。（5）及時(shí)清理錨頭與套管，為新吊桿的安裝施工奠定基礎(chǔ)。（6）安裝新吊桿，并調(diào)整新吊桿的吊桿力，根據(jù)測(cè)量標(biāo)高參數(shù)放松兜吊系統(tǒng)。（7）安裝防水罩，做好防水處理工作[4]。

圖1 中承式鋼管混凝土拱橋新吊桿構(gòu)造示意圖

4.2 拆除舊吊桿的施工技術(shù)

施工人員對(duì)鋼管混凝土拱橋進(jìn)行舊吊桿拆除的時(shí)候，應(yīng)嚴(yán)格最終對(duì)稱原則，從橋梁每個(gè)拱跨的兩端處，向跨中間部分逐對(duì)拆除。施工人員在拆除一對(duì)舊吊桿之后，就應(yīng)安裝一對(duì)新吊桿。拆除過(guò)程中建議做好橋面標(biāo)高的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)中如果發(fā)生較大程度的參數(shù)變動(dòng)，建議立即停止拆除和安裝，查清原因之后經(jīng)過(guò)有效的方案處理，再繼續(xù)拆除舊吊桿。分析鋼管混凝土拱橋的舊吊桿拆除施工技術(shù)，具體操作如下：

（1）在橋梁拱肋上安裝橫梁提升系統(tǒng)。該系統(tǒng)安裝后，建議施工人員嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的噸位展開張拉試驗(yàn)，輔助索張拉千斤頂，能夠?yàn)榈鯒U的更換提供施工空間，建議將施工空間安排在鋼管混凝土拱橋的拱頂位置或橋面位置。施工人員需要通過(guò)核算與校驗(yàn)后，以工程施工安全為前提，利用施工機(jī)具調(diào)整橫梁提升系統(tǒng)。與此同時(shí)，還應(yīng)注意錨固的焊接是否會(huì)對(duì)拱肋處的鋼管產(chǎn)生不良影響。

（2）啟動(dòng)橫梁提升系統(tǒng)，提升橫梁，并同時(shí)提升上下游。這一過(guò)程中建議施工人員根據(jù)實(shí)際測(cè)量的舊吊桿拉力值，按照吊點(diǎn)處高程變化參數(shù)，使張拉拉力的變化和相鄰的吊點(diǎn)之間高差處于5mm左右。施工過(guò)程中還需要具體考慮機(jī)具的荷載情況，根據(jù)測(cè)量結(jié)果從而確定衡量的提升與荷載等級(jí)。

（3）以鋼管混凝土拱橋的橋面標(biāo)高和相鄰吊點(diǎn)的高差作為控制條件，多次加載，分批隔斷鋼絲，將吊桿力轉(zhuǎn)移到兜吊系統(tǒng)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋面標(biāo)高參數(shù)。

（4）吊桿力轉(zhuǎn)移后，完全割斷舊的吊桿，鑿除封錨上的混凝土，將錨頭和吊桿鋼絲拆除，清理管中混凝土，對(duì)原錨墊板除銹施工，這一過(guò)程中不能損傷拱肋與橫梁結(jié)構(gòu)。取出錨具和鋼絲時(shí)，如果需要使用空心鉆孔的方式，建議與設(shè)計(jì)人員相互溝通，合理確定鉆孔的實(shí)際大小和最終鉆取的范圍。

4.3 安裝新吊桿的施工技術(shù)

建議使用鋼尺測(cè)量吊桿的上錨固點(diǎn)與下錨固點(diǎn)之間的距離，按照具體錨具的要求區(qū)分拱肋內(nèi)斜高，計(jì)算吊桿下料長(zhǎng)度。要求施工人員根據(jù)吊桿的實(shí)際下料長(zhǎng)度，安裝錨杯，新吊桿運(yùn)輸?shù)戒摴芑炷凉皹驑蛎婧髴?yīng)攤平放置，同時(shí)注意對(duì)PE防護(hù)套與錨頭螺紋處的有效保護(hù)。將新的吊桿以自下向上的方向穿到預(yù)埋鋼管中，然后將吊桿繼續(xù)上提，直到吊桿方便使用卷?yè)P(yáng)機(jī)將下部吊桿穿入預(yù)埋管為止。吊桿穿孔之后，安裝上端錨具，固定后再安裝下端錨具的螺母。

施工人員安裝新吊桿時(shí)還需要張拉調(diào)索，這時(shí)應(yīng)按照安裝順序進(jìn)行張拉桿和千斤頂?shù)陌惭b，張拉吊桿到30MPa時(shí)卸壓，將兜吊系統(tǒng)放松，使其處于不受力狀態(tài)。這一過(guò)程中，建議施工人員保證吊桿的上游與下游可以達(dá)到同步狀態(tài)，張拉時(shí)合理控制吊桿力與鋼管混凝土拱橋的橋面標(biāo)高。按照計(jì)算的標(biāo)高進(jìn)行吊桿張拉調(diào)整，將鋼管混凝土拱橋的衡量調(diào)整為設(shè)計(jì)標(biāo)高即可。吊桿更換完成之后，要求施工人員對(duì)該鋼管混凝土拱橋跨吊桿進(jìn)行索力和標(biāo)高調(diào)整，以標(biāo)高的有效控制為主，保證最終鋼管混凝土拱橋能夠同拱跨同，對(duì)吊桿編號(hào)處理，并保證上游索力和下游索力可以達(dá)到一致。在防護(hù)處理過(guò)程中，建議先安裝鋼管混凝土拱橋橋面防水罩和錨頭防護(hù)罩，隨后對(duì)錨頭保護(hù)罩、吊桿錨杯與預(yù)埋管進(jìn)行聚氨酯的填充，使聚氨酯材料在其中起到防腐抗氧化的作用。

4.4 其他注意事項(xiàng)

探究中承式鋼管混凝土拱橋吊桿更換施工技術(shù)，除了上文提到的吊桿拆除與安裝技術(shù)，還包含其他注意事項(xiàng)。具體如下：（1）建議施工單位使用吊桿兩端設(shè)置球絞錨頭的設(shè)計(jì)方案，從而減少對(duì)吊桿系統(tǒng)的不規(guī)則擺動(dòng)約束，增加吊桿系統(tǒng)固有頻率。吊桿的上部減震體和下部減震體應(yīng)使用彈性材料，在保證鋼管混凝土拱橋吊桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)，防止吊桿發(fā)生整體變形。

（2）向上延伸鋼管混凝土拱橋橫梁內(nèi)的預(yù)埋鋼管，延伸到人行道以上20cm處，并安裝防水罩，起到防水防潮的效果。應(yīng)用HDPE保護(hù)套，將其作為吊桿系統(tǒng)的首要防護(hù)層，其質(zhì)量將直接影響到原材料、吊桿成型以及吊桿施工工藝。對(duì)此，建議施工單位選擇高性能的HDPE優(yōu)質(zhì)防護(hù)套，擠塑加工中加強(qiáng)對(duì)該工序的合理控制，運(yùn)輸與施工中做好對(duì)防護(hù)套的保護(hù)，避免防護(hù)套受到損壞。

（3）施工中，設(shè)計(jì)單位和施工單位應(yīng)對(duì)拱橋的跨徑、矢跨比、拱軸系數(shù)、主拱肋、拱座尺寸、橫撐形式、拱腳腹桿形式、弦管尺寸等進(jìn)行大量的優(yōu)化工作，實(shí)現(xiàn)了安全美觀、經(jīng)濟(jì)適用的綜合兼顧。

總結(jié)：

總而言之，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，城鄉(xiāng)交通量逐年增大，原有的中承式鋼管混凝土拱橋已經(jīng)出現(xiàn)了不同程度的病害問(wèn)題。面對(duì)交通荷載的不斷增加，人們需要加強(qiáng)對(duì)中承式鋼管混凝土拱橋的維修與養(yǎng)護(hù)，通過(guò)更換吊桿，保證吊桿系統(tǒng)穩(wěn)定，做好吊桿拆除與安裝施工工作，實(shí)時(shí)對(duì)相關(guān)參數(shù)加以監(jiān)測(cè)和控制，保障施工質(zhì)量，提高施工效率。