荷塘西江大橋下承式體外系桿拱橋吊桿更換設(shè)計

袁霖宇

（廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司）

0 引言

吊桿是系桿拱橋的重要結(jié)構(gòu)之一，吊桿的安全性、耐久性和適應(yīng)性關(guān)系到橋梁結(jié)構(gòu)的安全與正常使用。吊桿使用年限一般不超過15 年，而我國早期系桿拱橋設(shè)計對吊桿的可更換性考慮不足，在吊桿上下錨頭及預(yù)埋管內(nèi)填充水泥漿。同時受技術(shù)條件限制，防腐水平較低，導(dǎo)致吊桿表面腐蝕嚴(yán)重。為確保橋梁的安全正常運(yùn)營，系桿拱橋的吊桿應(yīng)定期檢查和更換。

1 工程概況

江門市荷塘西江大橋位于江門市蓬江區(qū)荷塘鎮(zhèn)境內(nèi)，該橋于1999 年8 月建成通車。主橋?yàn)榭缭轿鹘囊蛔?×110m 下承式體外系桿拱橋。拱的推力由兩端錨固在橋墩上的系桿承受，自平衡體系，主拱拱肋頂段采用單箱單室結(jié)構(gòu)，兩拱腳處由單肋分叉為雙肢拱肋，拱肋嵌入橋墩，形成無鉸拱。主橋下部為空心矩形墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋面鋪裝共設(shè)置一層8cm 厚的鋼筋混凝土，橋面橫坡為雙向1.5%。設(shè)計荷載為汽-20 級、掛-100。

全橋共42 對84 根吊桿。吊桿原設(shè)計采用高強(qiáng)鋼絲束，外層由鍍鋅鋼管作為保護(hù)層，內(nèi)層鋼絞線之間灌有40 號水泥漿，吊桿的防護(hù)鋼筋分段設(shè)置，并用外接頭連接起來。

經(jīng)檢測后得知，全橋大多數(shù)吊桿存在油漆脫落銹蝕現(xiàn)象；吊桿鋼管連接器多處銹蝕、損壞、脫空，導(dǎo)致鋼絞線外露；共13 處吊桿上錨頭與拱肋下緣結(jié)合處，出現(xiàn)混凝土破損、露筋銹脹開裂；部分吊桿下錨頭出現(xiàn)混凝土封錨不密實(shí)、下錨頭銹蝕的情況。鑒于拱橋使用年限已超過15 年，且吊桿病害問題較為嚴(yán)重，加固過程中考慮更換全部吊桿及錨頭，同時解決吊桿耐疲勞、可檢可修可換的問題。

2 建模計算分析

為了評價荷塘西江拱橋的吊桿受力狀態(tài)，從以下兩個方面對該橋進(jìn)行檢算：

情況1：原結(jié)構(gòu)復(fù)算，即全部構(gòu)件采用原結(jié)構(gòu)尺寸、材料強(qiáng)度，驗(yàn)算吊桿部位在原設(shè)計荷載下（汽車-20 級，掛車-100）是否滿足原設(shè)計規(guī)范（《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTJ 021-89）、《公路鋼筋混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTJ023-85））的要求。

情況2：考慮損傷折減后的計算，即根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)則》（JTG/T J21—2011），考慮橋梁現(xiàn)狀各構(gòu)件的損傷，采取引入橋梁檢算系數(shù)、承載能力惡化系數(shù)、截面折減系數(shù)和活載修正系數(shù)對橋梁承載力進(jìn)行評定。驗(yàn)算吊桿部位在原設(shè)計荷載下是否滿足原設(shè)計規(guī)范的要求。

利用midas-civil 橋梁有限元軟件進(jìn)行算分析。全橋采用3D 空間桿系模型，考慮邊跨對中跨的受力影響，建立40m+（3×110）m+50m 五跨模型。車行道T 梁、人行道縱梁、人行道板按實(shí)際重量加載，欄桿、橋面鋪裝作為二期恒載加載。

計算模型如圖1 所示。

原吊桿截面設(shè)計為110 根強(qiáng)度為1600MPa 的φs5高強(qiáng)鋼絲，吊桿截面面積為2160mm2。計算結(jié)果如表1 所示。

圖1 全橋3D 空間桿系模型

表1 原結(jié)構(gòu)吊桿計算結(jié)果匯總（考慮折舊損傷）

計算結(jié)果顯示，原設(shè)計及考慮折舊損傷后，吊桿應(yīng)力安全系數(shù)均大于2.5，滿足原設(shè)計規(guī)范要求。原設(shè)計及考慮折舊損傷疲勞應(yīng)力幅也滿足原規(guī)范設(shè)計要求，但考慮損傷后，應(yīng)力幅增大，疲勞壽命降低。

3 吊桿更換設(shè)計

3.1 設(shè)計原則

⑴更換吊桿時必須保證橋梁的結(jié)構(gòu)安全，并盡量不損壞橋梁其它部位。更換吊桿后橋梁的總體性能不會降低，適當(dāng)提高吊索強(qiáng)度安全系數(shù)，滿足原設(shè)計要求和今后的運(yùn)營要求；

⑵新吊桿應(yīng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，加強(qiáng)吊索防腐蝕構(gòu)造，避免重復(fù)同類型病害，并且應(yīng)可以方便地再次更換；

⑶方案應(yīng)有較好的經(jīng)濟(jì)性，便于實(shí)施，具有良好的可控制性和可操作性。

3.2 吊桿選擇

考慮到拱肋、橫梁的預(yù)留孔較小，新吊桿選用錨頭結(jié)構(gòu)尺寸較小的GJ 鋼絞線整束擠壓吊桿體系。新吊桿具備下述特點(diǎn)：

⑴采用兩端整束擠壓錨固鋼絞線，具有錨固安全可靠、張拉調(diào)索方便的特點(diǎn)；

⑵錨頭結(jié)構(gòu)緊湊，外徑小，其錨頭尺寸比冷鑄錨小30%以上，適合本項(xiàng)目拱肋、橫梁預(yù)留孔較小的特點(diǎn)。

⑶鋼絞線在索體內(nèi)隔離防腐，離腐蝕性能優(yōu)越，抗振性能好，疲勞性能好。對于本橋結(jié)構(gòu)體系而言，可保證結(jié)構(gòu)耐久性。

最終新吊桿考慮適當(dāng)提高吊索強(qiáng)度安全系數(shù)，選用1860 級GJ15－15 鋼絞線整束擠壓吊桿（如圖2 所示），單根吊桿破斷力需大于3900kN。原結(jié)構(gòu)橫梁內(nèi)埋有鋼套管，套管外徑為150mm，GJ15－15 鋼絞線吊桿端頭直徑為140mm，剛好尺寸適應(yīng)。

經(jīng)計算分析，新吊桿應(yīng)力安全系數(shù)達(dá)到3.42 以上。

圖2 1860 級GJ15－15 鋼絞線立面圖

表2 更換后吊桿計算結(jié)果匯總

圖3 吊桿更換兜吊系統(tǒng)示意圖

4 施工工藝

4.1 施工方案選擇

本次加固設(shè)計更換全部吊桿，由于本橋整體拱肋剛度較弱，全橋無縱梁結(jié)構(gòu)，車行道板支撐于橫梁上，橫梁吊于左右兩吊桿間，故吊桿更換宜采用兜吊系統(tǒng)進(jìn)行更換。

兜吊系統(tǒng)是吊桿更換時舊吊桿拆除后承受橋面荷載的受力機(jī)構(gòu)，也是舊吊桿拆除過程中將舊吊桿索力轉(zhuǎn)移至臨時吊桿，及新吊桿安裝過程中將臨時吊桿力轉(zhuǎn)換到新吊桿的體系轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu), 轉(zhuǎn)換過程中臨時吊桿張拉千斤頂與吊桿張拉千斤頂配合使用。

結(jié)合本項(xiàng)目特點(diǎn)，兜掉系統(tǒng)由拱上平臺、抗滑索、上托梁、下托梁和臨時吊桿構(gòu)成。

4.2 施工工序

圖4 吊桿更換施工工藝流程圖

吊桿更換施工工序?yàn)椋菏┕?zhǔn)備→兜吊系統(tǒng)安裝→舊吊桿拆除→新吊桿安裝→新吊桿張拉→新吊桿防護(hù)。更換施工從跨中往兩端的順序進(jìn)行。

吊桿更換施工的關(guān)鍵之一就是對吊桿力的控制，為了確保吊桿更換達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，更換過程中由專業(yè)監(jiān)控單位在更換全橋吊桿之前、更換完成之后以及調(diào)索完成之后三個時間點(diǎn)，用高精度專業(yè)儀器對橋面系標(biāo)高及全橋吊桿索力進(jìn)行監(jiān)測，以實(shí)現(xiàn)對施工過程的實(shí)時監(jiān)控。以吊桿力控制為主，橋面線型控制為輔。

5 結(jié)語

由于原設(shè)計因舊規(guī)范和理念存在一定局限性，原吊桿的可更換性和耐久性較差，導(dǎo)致吊桿更換因舊預(yù)埋套管限值吊桿直徑，GJ 鋼絞線整束擠壓吊桿能很好適應(yīng)此種狀況，不僅提高吊桿安全儲備和防腐性能，還方便后期調(diào)索及更換。

按照本文的設(shè)計方案和施工流程，該橋已于2017年9 月順利完成吊桿更換。更換后吊桿受力狀態(tài)良好，橋面線型滿足設(shè)計要求，可為同類橋型吊桿更換和同類型臨時兜吊系統(tǒng)的設(shè)計、施工提供借鑒。