橋面支撐法拱橋吊桿更換關(guān)鍵技術(shù)研究

賈迪斐， 石恩嶺

(1.重慶市江北區(qū)市政設(shè)施管理所， 重慶 400023； 2.重慶交通大學(xué)， 重慶 400074)

拱橋是我國(guó)橋梁工程中常用的一種橋梁類型，吊桿在拱橋發(fā)展史中的應(yīng)用從上承式拱橋逐步發(fā)展為中承式拱橋和下承式拱橋，在我國(guó)公路和城市橋梁中應(yīng)用廣泛[1]。吊桿拱橋的發(fā)展不僅提高了拱橋的跨越能力，還提高了橋下凈空的范圍。尤其吊桿在下承式拱橋中橋面系通過(guò)吊桿懸掛在拱肋下[2]，承擔(dān)了主跨大部分的推力，是下承式拱橋中重要的結(jié)構(gòu)之一，因此吊桿是否受力安全對(duì)整個(gè)橋梁的安全起著非常重要的作用[3]。

早期大多拱橋橋面系多采用以橫梁受力為主的結(jié)構(gòu)體系[4]，短吊桿斷裂導(dǎo)致橋面塌陷事故屢有發(fā)生。根據(jù)國(guó)內(nèi)工程經(jīng)驗(yàn)，拱橋吊桿平均壽命約為15年[5]，拱橋吊桿在正常的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，承受來(lái)自車輛的反復(fù)疲勞荷載及外界環(huán)境對(duì)錨具的侵蝕，致使吊桿發(fā)生損傷或破斷，造成巨大損失[6]。目前吊桿更換基本采用設(shè)置臨時(shí)替代系統(tǒng)[7]，本文以西安廣運(yùn)大橋?yàn)槔?，介紹了吊桿更換方案和基于Midas的結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果，供同類型拱橋吊桿更換參考。

1 工程概況

西安廣運(yùn)大橋位于西安市東三環(huán)上，2007年8月建成通車，至今已運(yùn)營(yíng)14年。該橋主線橋梁全長(zhǎng)837 m，輔道橋橋梁全長(zhǎng)504 m。主線橋橋面寬度為2×16.5 m，分為左右(東西向)半幅分修；輔道橋橋?qū)?2.0 m，由防撞墻0.5 m+行車道8 m+人行道3.5 m組成。橋型布置如圖1、圖2所示。

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該橋主橋橋跨為(2×50+80+2×50)m下承式鋼管混凝土拱梁組合體系，拱軸線采用二次拋物線，矢跨比為1/4。80 m跨拱計(jì)算跨徑為76.4 m，拱肋采用啞鈴形斷面，上下主弦管采用Φ900×16 mm鋼管，中間設(shè)綴板連接，綴板采用16 mm厚鋼板。50 m跨拱采用單根Φ900×16 mm鋼管。

吊桿采用熱聚乙烯拉索結(jié)構(gòu)，鋼絲為Φ7 mm消除應(yīng)力鍍鋅高強(qiáng)鋼絲束。每個(gè)吊桿內(nèi)設(shè)61根鋼絲，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 670 MPa。順橋向吊桿間距5 m，其中80 m跨設(shè)13對(duì)吊桿，50 m跨設(shè)7對(duì)吊桿。吊桿錨具采用冷鑄鐓頭錨，設(shè)上下錨箱，分別與拱肋下部和系梁頂部連接，上下錨箱分別設(shè)2塊26 mm厚鋼板作為主受力結(jié)構(gòu)。拱肋處吊點(diǎn)為固定端，張拉端設(shè)在縱梁下部，在縱梁內(nèi)預(yù)埋Φ190 mm鋼管形成管道，張拉時(shí)通過(guò)預(yù)留孔道從縱梁下部傳入傳力桿與錨杯連接。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，吊桿除個(gè)別下錨頭外側(cè)鋼板的螺栓存在銹蝕嚴(yán)重且滑絲現(xiàn)象導(dǎo)致無(wú)法打開(kāi)外，大部分吊桿下錨頭基本都存在錨杯內(nèi)有銹斑、螺紋銹跡等現(xiàn)象，個(gè)別錨杯內(nèi)存在水滴，其中檢測(cè)單位抽選了16根吊桿進(jìn)行了除銹。除銹后檢查發(fā)現(xiàn)，吊桿錨杯內(nèi)均未發(fā)現(xiàn)明顯銹坑。全橋吊桿PE保護(hù)套存在20處損傷，2處開(kāi)窗修補(bǔ)橡膠開(kāi)裂、脫落，1處老化變色。經(jīng)專家會(huì)議研究，決定對(duì)病害嚴(yán)重吊桿進(jìn)行更換。

2 吊桿更換

2.1 吊桿更換原則和吊桿編號(hào)原則

吊桿更換時(shí)要受到一些結(jié)構(gòu)方面的限制，應(yīng)該遵循如下原則：

1) 吊桿更換前后保持原結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)不變，保證橋梁既有狀態(tài)結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)。

2) 更換吊桿時(shí)必須保證橋梁整體結(jié)構(gòu)安全，施工時(shí)避免對(duì)主拱圈和吊桿橫梁、縱梁等構(gòu)件造成不必要損傷，更換吊桿后橋梁仍能滿足設(shè)計(jì)要求和運(yùn)營(yíng)要求。

3) 更換吊桿時(shí)盡量選擇溫差變化較小的季節(jié)施工，應(yīng)減少工序，縮短工期，盡量減小對(duì)交通的影響。

4) 新吊桿設(shè)計(jì)應(yīng)考慮吊桿再次更換的可能性，采用可更換式吊桿。

5) 吊桿更換方案應(yīng)具有較好的經(jīng)濟(jì)性和可行性，需采用成熟的施工技術(shù)和施工工藝，切實(shí)保證工程的安全和質(zhì)量[8]。

該橋縱橋向共有4個(gè)拱肋，單個(gè)拱肋上設(shè)計(jì)有41根吊桿，共設(shè)置164根吊桿；吊桿編號(hào)由北向南(縱橋向)依次為1～5號(hào)拱，從東至西(橫橋向)分別為A、B、C、D拱肋，橋梁起始方向吊桿標(biāo)號(hào)為1。例如，第1跨東幅東側(cè)第1根吊桿的編號(hào)為1A-1。單個(gè)拱肋吊桿立面布置和拱肋平面布置如圖3、圖4所示。

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2.2 更換吊桿施工方案

根據(jù)專家研究討論，提出了2種吊桿更換范圍。由于工期較緊，加之工程自身特點(diǎn)，需從施工、設(shè)計(jì)等多方面進(jìn)行控制[9]，2種方案主要內(nèi)容如下：

1) 橋面支撐法。在需要更換吊桿處的橫梁上方設(shè)置臨時(shí)鋼支架，根據(jù)吊桿間距，用貝雷梁或萬(wàn)能桿件制作鋼桁梁，支撐于橋面上所更換吊桿相鄰前后2根吊桿的橫梁處。在鋼桁架中間部位設(shè)置精軋螺紋鋼筋作為臨時(shí)吊桿，吊桿設(shè)置于橫向2片桁架之間，每根吊桿處設(shè)置相應(yīng)的千斤頂，由鋼支架來(lái)支承舊吊桿的索力，并將更換處吊桿索力通過(guò)貝雷梁轉(zhuǎn)移到相鄰的2根吊桿上[10]。橋面支撐法示意如圖5所示。

2) 臨時(shí)兜吊法。該法采用臨時(shí)兜吊系統(tǒng)來(lái)承受吊桿索力。在要更換吊桿處的拱肋上設(shè)置臨時(shí)鋼橫梁，同時(shí)在系梁下面對(duì)應(yīng)位置設(shè)置2根鋼橫梁，由4根臨時(shí)吊桿穿過(guò)鋼橫梁組成臨時(shí)吊桿體系[11]。當(dāng)臨時(shí)吊桿體系受橋面空間限制時(shí)，可在橋面處設(shè)置上托梁(轉(zhuǎn)換梁)，將臨時(shí)吊桿力橫向轉(zhuǎn)移到拉桿受力位置，轉(zhuǎn)換梁高度應(yīng)能滿足拱腳最短吊桿狹小位置空間安裝[12]。然后通過(guò)梁底托梁將拉桿力過(guò)渡到梁底。臨時(shí)兜吊法示意如圖6所示。

2個(gè)方案均為成熟施工工藝，考慮到廣運(yùn)大橋位于城市快速通道，車流量大，交通組織困難，社會(huì)影響大且廣運(yùn)大橋吊桿整體性能良好。為確保更換過(guò)程安全、可靠，通過(guò)比選，本橋采用橋面支撐法為施工推薦方案。

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3 模型計(jì)算

廣運(yùn)大橋采用橋面支撐法更換吊桿，通過(guò)Midas Civil 2020軟件建立廣運(yùn)大橋的有限元模型，對(duì)更換吊桿時(shí)主要構(gòu)件的強(qiáng)度和加固后吊桿承載力進(jìn)行驗(yàn)算。由于該橋在順橋向和橫橋向都是對(duì)稱的布設(shè)，因此只選取左幅進(jìn)行計(jì)算。

1) 全橋模型建立。廣運(yùn)大橋主拱圈截面采用鋼管混凝土啞鈴形組合截面，材料采用鋼管混凝土組合材料，計(jì)算模型共1 396個(gè)節(jié)點(diǎn)，1 666個(gè)單元。橋梁拱圈、橫撐、斜撐、縱梁及橫梁采用梁?jiǎn)卧鯒U采用桁架單元[13]。計(jì)算模型如圖7所示。

圖7 左幅主拱跨圈計(jì)算模型

2) 原橋主跨結(jié)構(gòu)驗(yàn)算分析。對(duì)主跨鋼管混凝土主拱圈的拱腳、L/8、L/4、3L/8以及L/2截面進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算，主拱圈承載能力驗(yàn)算結(jié)果如表1所示。由表1可知，主跨拱圈最小安全系數(shù)為1.37，位于彎矩最大工況下的L/2截面，拱圈承載力滿足規(guī)范要求。主跨拱圈最大豎向位移為5.41 cm，其中上撓值為1.48 cm，下?lián)现禐?.93 cm，小于規(guī)范限定值9.55 cm，主拱圈位移滿足規(guī)范要求。

表1 主拱圈承載能力驗(yàn)算

縱梁由于上游側(cè)、下游側(cè)系桿縱梁的構(gòu)造尺寸、配筋和配束完全一致，故只提取模型中下游側(cè)縱梁的彎矩、剪力包絡(luò)及抗力。經(jīng)計(jì)算，縱梁抗彎承載力最小安全系數(shù)為1.97，抗剪承載力最小安全系數(shù)為1.72，縱梁承載力滿足規(guī)范要求。全橋橫梁的構(gòu)造尺寸和配筋與配束完全一致，提取模型中吊桿力最大處橫梁的彎矩、剪力包絡(luò)及抗力。經(jīng)計(jì)算，橫梁抗彎承載力最小安全系數(shù)為1.44，抗剪承載力最小安全系數(shù)為1.32，橫梁承載力滿足規(guī)范要求。

3) 吊桿更換時(shí)計(jì)算分析。為防止更換過(guò)程中橋面會(huì)產(chǎn)生大面積的開(kāi)裂，吊桿更換施工需要分階段交替進(jìn)行。通過(guò)Midas Civil軟件求得施工階段吊桿索力的變化，為施工提供理論根據(jù)。廣運(yùn)橋主跨拱圈上游、下游兩側(cè)拱肋各有13根吊桿，吊桿編號(hào)從拱腳開(kāi)始，吊桿在橫橋向、順橋向均為關(guān)于中心線對(duì)稱布置。吊桿力關(guān)于中間吊桿7呈對(duì)稱分布，故只提取主拱圈下游側(cè)吊桿1～吊桿7的內(nèi)力進(jìn)行驗(yàn)算，經(jīng)計(jì)算主跨拱圈吊桿最小安全系數(shù)為2.72。

更換吊桿施工階段驗(yàn)算，取3B-1、3B-7和1B-1(編號(hào)見(jiàn)2.1吊桿編號(hào)原則)共計(jì)3根代表性吊桿，對(duì)采用橋面支撐法施工過(guò)程中更換吊桿的相鄰吊桿進(jìn)行安全系數(shù)計(jì)算。更換吊桿時(shí)，其內(nèi)力由相鄰吊桿承擔(dān)，針對(duì)吊桿更換期間的內(nèi)力變化進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖8、圖9所示。更換吊桿時(shí)縱梁、橫梁承載能力安全系數(shù)匯總?cè)绫?、表3所示。根據(jù)模型計(jì)算，更換主跨拱圈長(zhǎng)、短吊桿和引跨拱圈短吊桿時(shí)，吊桿承載力最小安全系數(shù)為2.02，滿足規(guī)范要求安全系數(shù)為2.0。

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表2 更換吊桿時(shí)縱梁承載能力及安全系數(shù)匯總

表3 更換吊桿時(shí)橫梁承載能力及安全系數(shù)匯總

縱梁和橫梁是橋梁的重要構(gòu)件，按照規(guī)范要求驗(yàn)算。由于上游側(cè)、下游側(cè)吊桿縱梁的構(gòu)造尺寸、配筋與配束完全一致，故只提取模型中下游側(cè)縱梁的彎矩、剪力包絡(luò)及抗力。由表2、表3可知，在更換吊桿期間，縱梁抗彎承載力最小安全系數(shù)為1.62，抗剪承載力最小安全系數(shù)為2.79。對(duì)更換吊桿處及相鄰的3根橫梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，在更換吊桿期間，橫梁抗彎承載力最小安全系數(shù)為1.68，抗剪承載力最小安全系數(shù)為1.77，均滿足規(guī)范要求。

4) 加固后計(jì)算分析。吊桿在運(yùn)營(yíng)期間始終處于高應(yīng)力狀態(tài)，考慮到目前車輛軸載較通車時(shí)增量較大，本次新制的短吊桿承載能力較原吊桿承載能力略微提高。為盡可能減小對(duì)原橋結(jié)構(gòu)影響，進(jìn)一步提高短吊桿的安全儲(chǔ)備，新吊桿鋼絲采用EPES7-61，鋼絲標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 770 MPa，錨具仍采用冷鑄鐓頭錨型號(hào)為L(zhǎng)MEPES7-61，吊桿破斷索力4 180 kN(原吊桿破斷力3 920 kN)。加固后吊桿承載能力安全系數(shù)如表4所示。由表4可知，已更換吊桿的最小安全系數(shù)為2.78，未更換吊桿的最小安全系數(shù)為2.54，均滿足規(guī)范要求。

表4 加固后吊桿承載能力安全系數(shù)

4 施工監(jiān)控

吊桿更換施工過(guò)程中需進(jìn)行施工監(jiān)控，盡可能使橋跨結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和線形接近或達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期值[14]。在吊桿更換及安裝加勁鋼桁架施工全過(guò)程中，對(duì)橋面線形、拱肋線形、吊桿索力、拱肋應(yīng)力、橫梁應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)[15]，若發(fā)現(xiàn)變形過(guò)大或應(yīng)力變化過(guò)大，需及時(shí)與設(shè)計(jì)方聯(lián)系。更換吊桿施工監(jiān)控過(guò)程中采用線形和索力雙控，以線形控制為主，吊桿內(nèi)力控制為輔。此次施工監(jiān)控控制原則如下：

1) 同時(shí)滿足橋面標(biāo)高前后一致，新舊吊桿索力等值的原則進(jìn)行施工監(jiān)控。

2) 吊桿更換過(guò)程中，監(jiān)測(cè)索力轉(zhuǎn)換及相鄰索力變化情況，施工過(guò)程中吊桿最小理論索力安全系數(shù)為2.0；監(jiān)測(cè)橫梁應(yīng)力變化情況，施工過(guò)程中橫梁應(yīng)力變化幅值控制在2.0 MPa以內(nèi)，橋面高程變化幅值控制在10 mm以內(nèi)。

3) 吊桿更換前后，吊桿索力及橫梁應(yīng)力保持前后一致，誤差控制在5%以內(nèi)；橋面高程差控制在5 mm以內(nèi)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)廣運(yùn)大橋吊桿更換施工過(guò)程及加固后吊桿承載能力2個(gè)方面進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論：

1) 下承式拱橋的吊桿銹蝕問(wèn)題對(duì)橋梁安全運(yùn)營(yíng)能力的影響較大，應(yīng)加強(qiáng)運(yùn)營(yíng)時(shí)間達(dá)到10年以上的橋梁檢測(cè)，防止因吊桿銹蝕出現(xiàn)安全事故。

2) 更換吊桿應(yīng)對(duì)更換過(guò)程和更換后的狀態(tài)建模計(jì)算分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)進(jìn)行驗(yàn)算評(píng)估，為實(shí)際施工提供理論根據(jù)。

3) 通過(guò)廣運(yùn)大橋吊桿模擬計(jì)算表明，吊桿拆除時(shí)原內(nèi)力由相鄰的2根吊桿承擔(dān)，能保證橋面不出現(xiàn)過(guò)大變形，吊桿承載力安全系數(shù)在規(guī)范要求范圍內(nèi)。