舊橋換索的組合式鋼吊桿更換設計與施工

鄧海毅，黃穎，蘇韓

（1.柳州歐維姆機械股份有限公司，廣西 柳州 545006；2.柳州工學院，廣西 柳州 545616；3.柳州市預應力結構工程技術研究中心，廣西 柳州 545616）

0 引言

采用舊橋換索的加固方法能顯著節(jié)約資源和成本，提高拱橋吊桿的安全系數，改善橋梁的受力分布，從而有效提升橋梁的運營能力。馮兆祥[1]、龍躍[2]對導致橋梁纜索病害與破壞機理進行分析研究，并提出預防措施。隨著越來越多的橋梁加固及舊橋換索工程的實施，常規(guī)的舊橋換索技術已越來越成熟，并得到廣泛應用，唐賜明[3]、李世忠[4]、孫海霞[5]等對拱橋吊桿的維修、具體工程的更換吊桿施工工藝進行了研究及實施。

但一些特殊的舊橋采用成組鋼拉桿作為吊桿，這種結構的舊橋預埋管和錨槽過小，原有鋼拉桿間多有鋼筋穿過，對于將要更換的新吊桿來說會導致新吊桿安裝空間不足甚至與錨槽內鋼筋或其他結構有干涉，如果進行擴孔等操作勢必會對橋梁原有結構造成破壞并使工程量大大增加。因此需要一種新的連接方式以適應這種情況的舊橋換索施工操作。以永定縣南門大橋為例，針對成組鋼拉桿式拉索的舊橋換索設計一種新型的連接耳板，解決拱端連接問題，完成工程施工至今運營良好。

1 工程概況

永定縣南門大橋上部結構采用主跨為50.0 m的鋼筋混凝土中承式拱橋，邊跨對稱布置了跨徑為19.0 m的坦拱。鋼筋混凝土中承式拱橋凈跨47.5 m，凈矢高9.5 m，凈矢跨比1/5。全橋采用連續(xù)結構體系，中間不設伸縮縫，吊桿是4根鋼拉桿為一組的吊桿結構，吊桿外表以不銹鋼管包裹防護，如圖1所示。該橋于1996年建成通車，2014年檢測發(fā)現橫梁下吊桿錨固螺母及鋼墊板銹蝕嚴重，所有橫梁均有不同程度的滲水、泛堿和露筋銹蝕情況，滲水現象加劇，吊桿使用年限已達16年，且吊桿橫梁梁底錨頭銹蝕嚴重，更換吊桿所遇到的瓶頸問題就是舊橋拱端錨槽過小，且原四根鋼拉桿中間有鋼筋穿過，橫穿的鋼筋為拱肋結構筋，不能將此鋼筋去除。如果將4根鋼拉桿更換為成品拉索，此鋼筋將干涉新吊桿的安裝，如圖2所示。

圖1 4根鋼拉桿為一組的舊吊桿拱端

圖2 拱肋內橫穿鋼筋

2 更換吊桿方案設計

吊桿更換方案原則以保證橋梁的結構安全，不因更換吊桿而損壞橋梁其他部位制定[6]，吊桿主體為鋼絞線成品索，上端通過特殊結構的連接耳板加鋼拉桿的形式將吊索的力傳遞到拱端，既不需破壞原橋結構，又解決了吊桿更換的施工問題，使整個換索工程的工程量大大減少，并能實現今后再次更換的可能。吊桿上端利用原橋預留4個上預埋管安裝鋼拉桿，鋼拉桿與T形耳板連接，換索張拉完成后，在T形耳板與拱肋間以及拱肋上端原槽口，采用高強砂漿填充，由此制成拱肋端可連接的叉耳結構，如圖3所示。下端由原來的4個鋼拉桿通孔，擴為1個大孔，吊桿采用GJ15-15擠壓錨固鋼絞線拉索，施工時在下端進行張拉索力調整。由于拉索部份產品結構都已成熟定型，因此，只考慮連接耳板的結構和受力情況。

圖3 更換吊桿結構示意

2.1 T形連接耳板設計

根據實際工程中舊橋實際錨槽和布筋情況，綜合考慮加工可行性，設計連接的T形耳板結構，如圖4所示。

圖4 T形連接耳板示意

耳板柱銷孔通過柱銷與索的叉耳相連接，耳板底座處四個孔與鋼拉桿通過球形螺母球形墊板固定連接，將索力傳遞到拱端，如圖5所示。

圖5 T形連接耳板與拉索的連接示意

2.2 計算分析

采用有限元分析軟件ANSYS對連接結構進行分析。T形連接耳板所用金屬材料為各向同性，彈性模量E取2.10 GPa，泊松比為0.3。將柱銷加入模型中，用于做T形耳板的接觸分析。因本次主要分析T形耳板的受力情況，可將球形螺母、球形墊板視為一個整體加入模型與耳板做接觸分析。

此模型整體是軸對稱模型，為使有限元分析過程更加快捷，建立1/2模型進行計算，劃分單元網格之后的模型，如圖6所示。

圖6 有限元模型單元劃分

T形連接耳板由球形螺母、球形墊板與鋼拉桿組件固定，張拉力通過叉耳的柱銷傳遞至連接耳板柱銷孔處，有限元分析時模擬真實構件的受力情況，將荷載施加在柱銷上，柱銷與耳板設置為接觸分析。施加力按吊桿極限力施加，即15根1860 MPa級規(guī)格?15.2的鋼絞線的破斷力進行有限元模擬計算，單根鋼絞線的公稱破斷力260.4 kN，在張拉力達到索的破斷力時叉耳柱銷受壓面施加的壓強161.4 MPa。

連接耳板的上端面通過球形墊板固定約束，將球形墊板施加約束，做球形墊板底面與連接耳板接觸，上端在叉耳柱銷處施加161.4 MPa的拉應力，在整體對稱切割處施加對稱約束，如圖7所示。

圖7 施加拉力，約束示意

因重點關注T形連接耳板的受力情況，故將結果只選中連接耳板以便觀察。分析得到的Mises應力，如圖8所示。

圖8 連接耳板Mises應力

T形連接耳板的材料屈服強度785 MPa，連接耳板最大Mises應力為573 MPa，小于材料屈服強度。安全系數k=785/573=1.37。即在拉索極限力的載荷作用下，此連接耳板仍有1.3倍的安全系數。根據公路鋼管混凝土拱橋設計規(guī)范，知張拉控制應力σcon一般采用不超過拉索極限破斷力強度σb的K倍（一般K值取0.4）。查看構件沿各向的變形、應力，將計算的結果乘以系數0.45，則張拉過程最大應力值為229.2 MPa，785/229.2=3.4，即該結構有超3倍的安全系數，因此該連接耳板在使用過程中是安全的。

由應力圖可見應力最大處為T形過渡交接處，綜合考慮結構受力與加工可行性，此處設計為圓角過渡，以減小此處應力集中，使整體結構更加可靠。

3 吊桿更換施工

3.1 施工平臺

吊桿更換施工操作平臺分為：（1）拱上施工平臺，以鋼管搭設滿堂支架直至拱項；（2）吊桿下端的操作平臺，采用可移動掛籃。

3.2 施工監(jiān)測

在主車道完全封閉交通的情況下，選擇在夜間或凌晨測定恒載狀態(tài)下吊桿安裝位置的橫梁端的實際標高，作為吊桿更換及橋梁加固的一個基準點，并以之作為今后加固施工完成之后加固效果的一個評定參考。橋面用精密水準儀測量橋面標高，換吊桿時隨時監(jiān)控所換吊桿對應的橫梁處橋面標高變化不超過±5 mm。

3.3 臨時兜吊系統安裝

中、下承式拱橋的舊吊桿更換常用臨時兜吊法[7]，施工設備較少，體系轉換明確。臨時兜吊結構示意圖，如圖9所示。在更換吊桿區(qū)的拱肋兩端采用4根螺紋鋼棒箍緊，沿拱肋方向用兩根拉桿連接固定。在此構件上方加一組同樣的箍緊裝置抗滑，兩組箍緊裝置間用鋼絞線索串聯在一起，如圖10所示。鋼絲繩跨過拱肋安裝扁擔梁，形成上兜吊系統，扁擔梁與梁體托梁之間通過四根精扎螺紋鋼連接。安裝完成后采用四臺千斤頂對精軋螺紋鋼進行同步對稱張拉。張拉裝置采用一臺油泵通過四通閥控制兩臺千斤頂，保證千斤頂同步受力，如圖11所示。兜吊系統第一次體系轉換完成后，保持兜吊系統24 h靜止荷載試驗，以檢查各部位的緊固性。

圖9 臨時兜吊結構示意

圖10 拱肋防滑裝置

圖11 橫梁兜吊

3.4 更換吊桿

測量吊桿橋面測量點處標高，按照索力值平均分力為五個等級分級進行體系轉換，每一步的轉換過程都要對吊桿橋面測量點進行測量，記錄索力情況，控制標高+5 mm以內，符合要求后進行下一步操作。

在橋面往上0.5 m的地方截取十公分長的套管，在已截取套管處預先安裝索夾，橫梁提升到位，將索力轉移至臨時兜吊系統后，切割舊吊桿。由于拱肋剛度比較大，體系轉換難度比較大，為避免應力過分集中，采用臨時吊桿分級加載，舊吊桿切除分2次循環(huán)后完成，舊吊桿的應力轉移到了臨時兜吊系統之上。

從每拱最長的吊桿向兩端交替逐對拆除，拆除一組舊吊桿即刻補上新吊桿。新吊桿安裝前，在原吊桿錨墊板上安裝新吊桿錨具的預埋墊板。安裝上端拱肋的鋼拉桿和T形連接板，如圖12所示。確定上端耳板與下端錨具螺母的安裝位置，以保證吊桿的可調節(jié)長度，注意各部件的安裝控制精度。

圖12 安裝T形連接耳板

采用卷揚機輔助，利用在拱頂吊桿的安裝位置的正上方設置的拱上平臺作為起吊點，把卷揚機牽引繩與吊桿上端連接，啟動卷揚機緩慢的牽引吊桿，裝入叉銷索體安裝到位，如圖13所示。

圖13 吊裝拉索

吊桿張拉就是應力轉換過程，即由臨時兜吊系統轉換到新吊桿，轉換過程采用分級、同步進行，每一級過程中都要對吊桿橋面測量點進行標高，標高控制在設計要求范圍內。張拉加載速度一般應小于10 MPa/min，直至張拉到要求停止，即擰緊橫梁下端的拉索螺母。

體系轉換完成之后，需要對該吊桿位置的橫梁頂面標高進行測量，使標高控制在設計范圍內。每更換完成三對吊桿后，進行一次調索，保證新吊桿的索力和標高誤差數值在設計范圍內。當全部吊更換完成之后，根據聯測數據確定是否進行吊桿索力調整。調整時按1/2、1/4、1/8的程序進行，而且四點同步，為了減少調整步驟和次數，在全橋調整之前應準確測量出該工況下的索力和標高值報設計以指導下一階段調索的正確程序和步驟。

3.5 后期索力調整

吊桿更換完成后，對全橋吊桿橋面標高進行復測，換索后的吊桿標高值與換索前的吊桿標高值的差值控制在+5 mm的設計范圍內，結合監(jiān)控索力值，對全橋吊桿索力值進行調整。

3.6 新吊桿防護

按設計要求對吊桿進行防護：安裝新吊桿不銹鋼護套、防水罩及上、下錨頭保護罩；下預埋管內填充防腐聚氨酯；拱肋上端用砂漿填平。

4 結語

采用ANSYS軟件對特殊連接耳板進行有限元分析，并通過實際工程驗證其可靠性，特殊連接耳板的結構綜合考慮了特殊的成組鋼拉桿式橋梁的舊橋換索中的施工可靠性和便捷性，減少對橋梁原有結構的破壞，提高橋梁的安全系數。此次更換施工于2016年1月完成，安全運營至今，由此證明采用這種特殊的連接耳板在舊橋換索工程中便于施工，也更安全可靠，可在同類工程中借鑒并進一步推廣應用。