鋼管砼拱橋梁吊桿更換關(guān)鍵技術(shù)
——力系轉(zhuǎn)換方案研究與荷載控制要點(diǎn)

舒鼎龍 李帥 楊辰

1.武漢飛虹工程管理咨詢有限公司 湖北 武漢 430083

2.武漢城運(yùn)公共設(shè)施運(yùn)營管理集團(tuán)有限公司 湖北 武漢 430000

1 工程概況

長豐橋主橋采用中承式系桿拱橋，跨度布置為60.5+251+60.5m，主橋?qū)挾?1.9m（含吊桿區(qū)），橫向布置為：[3.45（吊桿錨固區(qū)、檢修道）+0.46（護(hù)欄）+0.5（路緣帶）+2×3.75（大車道）+3.50（小車道）+0.25（路緣帶）+0.58/2（中間護(hù)欄）]×2。主橋橋面設(shè)柔性吊桿、鋼橫梁、橋面板及平衡主拱推力的預(yù)應(yīng)力系桿。舊吊桿間距6.00m，共64根，采用PES5-151 φ5鍍鋅平行鋼絲成品拉索，外包雙層PE，其標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度R=1570MPa，兩端配置相應(yīng)的冷鑄錨，上端為張拉端，錨于下弦綴板處，下端為固定端，錨于鋼橫梁內(nèi)。為適應(yīng)橋面系的縱向變形，邊部第一根吊桿上錨固點(diǎn)設(shè)在上弦節(jié)點(diǎn)上。吊桿下端在2.5m高度范圍內(nèi)用額外的鋼管對(duì)其防護(hù)，以免人為因素破壞。

經(jīng)檢測(cè)，吊桿銹蝕程度達(dá)到Ⅲ級(jí)，需要對(duì)其進(jìn)行更換，新吊桿采用鋼絞線整束擠壓吊桿索，吊桿索體采用1960MPa級(jí)、φ15.2環(huán)氧噴涂無粘結(jié)鋼絞線纏包后外擠HDPE保護(hù)，拉索總調(diào)節(jié)量為±80mm，同時(shí)吊桿下端均錨固在主橫梁底部。

2 吊桿更換方案力系轉(zhuǎn)換方案討論的目的和意義

鋼管砼吊桿（系桿）拱橋的受力特點(diǎn)為主橋橋面荷載傳給鋼橫梁、吊桿受鋼橫梁的拉力將荷載再傳遞給主拱圈，拱圈受壓后向兩端拱座傳遞水平推力，而預(yù)應(yīng)力柔性系桿主要起到平衡部分主拱推力的作用，以減少拱座的水平推力，整個(gè)結(jié)構(gòu)體系處于平衡安全狀態(tài)，在吊桿拆除更換過程中，以上結(jié)構(gòu)受力不斷變化，力系頻繁轉(zhuǎn)換，選擇合適的方案對(duì)保證結(jié)構(gòu)安全及加快更換進(jìn)度都有著重要的意義。

3 力系轉(zhuǎn)換方案實(shí)施

吊桿更換施工是一系統(tǒng)工程，原吊桿拆除時(shí)，需要將吊桿上的索力轉(zhuǎn)換到臨時(shí)吊桿上，新吊桿安裝好后，給新吊桿施加拉力時(shí)又需將臨時(shí)吊桿上的拉力卸除，更換一根吊桿力系通過臨時(shí)吊桿轉(zhuǎn)換2次，因此臨時(shí)吊桿需滿足以下幾方面要求：①同原吊桿恒載作用下相同的受力狀態(tài)，上承載橫梁表面必須水平，以便均勻受力，并保證有相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性安全儲(chǔ)備；②與原吊桿進(jìn)行力系轉(zhuǎn)換過程中，能夠分級(jí)卸載或加載定量控制，保持原結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)不變和工作狀態(tài)連續(xù)性；③臨時(shí)兜吊系統(tǒng)在安裝和施工過程中，不會(huì)對(duì)原結(jié)構(gòu)構(gòu)件造成損傷，并避免構(gòu)件集中應(yīng)力集中情況；④臨時(shí)吊桿需要帶自鎖裝置[1]。

長豐橋臨時(shí)兜吊由抱箍及拱頂分配梁、鋼絞線錨固梁、底分配梁、張拉分配梁、千斤頂、撐腳、鋼絞線以及7孔工具錨等組成臨時(shí)兜吊體系，其中抱箍及拱頂分配梁焊接為整體，拱頂分配梁通過耳板及銷軸與鋼絞線錨固梁連接，可以保證兜吊系統(tǒng)適用于每個(gè)索號(hào)吊桿。將千斤頂、撐腳以及工具錨設(shè)置在底分配梁下方，通過千斤頂張拉或放張臨時(shí)兜吊系統(tǒng)鋼絞線進(jìn)行新、舊吊桿力系轉(zhuǎn)換。

4 吊桿更換過程中荷載控制

吊桿更換力系轉(zhuǎn)換頻繁，為避免對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成損害更換過程中必須要對(duì)荷載進(jìn)行嚴(yán)格控制，因此吊桿更換需請(qǐng)有資質(zhì)的監(jiān)控單位進(jìn)行監(jiān)控，每個(gè)施工步驟必須嚴(yán)格按監(jiān)控指令實(shí)施。

（1）橋上臨時(shí)施工荷載控制

根據(jù)cfsgjk-07施工監(jiān)控指令的計(jì)算及說明，橋上臨時(shí)荷載包括4臺(tái)吊機(jī)、吊桿更換設(shè)備及新吊桿材料等，這些荷載按2000KN布置在主跨中最不利位置，經(jīng)計(jì)算可保證拱座反力滿足控制要求，因此，橋上臨時(shí)施工總荷載超過2000KN時(shí)要通知監(jiān)控單位進(jìn)行核算，同時(shí)，橋上荷載應(yīng)盡量對(duì)稱均勻布置，包括上下游對(duì)稱、兩岸（漢口岸與漢陽岸）對(duì)稱，且要分散布置在較大面積范圍內(nèi)[2]。

（2）橋面系拆除及恢復(fù)荷載控制

圖1 臨時(shí)兜吊系統(tǒng)示意圖

長豐橋改造提升需將原橋面系拆除，包括瀝青砼橋面、л型梁，桿梁、人行道板縱梁、砼T梁等，拆除時(shí)橋上荷載減小導(dǎo)致吊桿索力減小，恢復(fù)新橋面時(shí)橋上荷載增加會(huì)導(dǎo)致索力增大。為使吊桿索力變化均勻，拆除舊橋面系及恢復(fù)新橋面系也需按同步對(duì)稱（上下游及兩岸均要求對(duì)稱）的原則進(jìn)行，吊車起梁與落梁時(shí)，均要緩慢勻速，避免吊裝過程中對(duì)橋上產(chǎn)生較大沖擊荷載。

（3）吊桿更換時(shí)荷載控制

在吊桿更換前，需測(cè)量橋面標(biāo)高作為橋梁的初始位置，橋面標(biāo)高通常采用電子精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)量。另外，還要在橋上根據(jù)需要布置各個(gè)測(cè)點(diǎn)，比如測(cè)量吊桿的長度變化要在吊桿的上、下吊點(diǎn)固定測(cè)量位置；測(cè)量橋面標(biāo)高要設(shè)置一個(gè)不受影響的固定測(cè)試位置以架設(shè)儀器，安排固定好各個(gè)測(cè)點(diǎn)的位置等。

吊桿更換時(shí)，力系主要在鋼橫梁、臨時(shí)吊桿、新舊吊桿及主拱肋間相互轉(zhuǎn)換與傳遞，為保證主拱肋及鋼橫梁受力對(duì)稱均衡，吊桿的更換順序?yàn)橛芍虚g最長吊桿向兩邊依次對(duì)稱進(jìn)行更換，橫橋向兩根吊桿應(yīng)同時(shí)更換[3]。為避免過程中荷載傳遞不均衡，減小沖擊荷載作用，拆除舊吊桿時(shí)舊吊桿（放張）與臨時(shí)吊桿（張拉)之間力系轉(zhuǎn)換需分4級(jí)（25%-50%-75%-100%）逐級(jí)加載、卸載交替進(jìn)行，更換新吊桿時(shí)新吊桿（張拉）與臨時(shí)吊桿（放張）之間力系轉(zhuǎn)換也需分四級(jí)（25%-50%-75%-100%）逐級(jí)加載、卸載交替進(jìn)行，加載、卸載均通過千斤頂張拉控制，每級(jí)力系轉(zhuǎn)換過程中密切進(jìn)行施工監(jiān)控，以橋面標(biāo)高變化控制為主，索力控制校核，做到兩者兼顧。橋面標(biāo)高的變化值應(yīng)控制在±3mm 范圍之內(nèi)；吊桿更換完成后，各吊桿橋面標(biāo)高與更換前的橋面標(biāo)高差值不得大于1.5mm；由于原設(shè)計(jì)吊桿索力數(shù)據(jù)與實(shí)際可能存在一定偏差，施工前應(yīng)中斷交通，逐個(gè)對(duì)索力進(jìn)行測(cè)量，以此作為控制索力，若出現(xiàn)較大差異，應(yīng)及時(shí)通知設(shè)計(jì)單位，共同查找原因，協(xié)商解決。為確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，在進(jìn)行第4級(jí)荷載轉(zhuǎn)換時(shí)，橋上其它增加臨時(shí)荷載（如運(yùn)輸、起吊材料及安裝橋梁檢修車）等施工均要停止作業(yè)。

在吊桿更換過程中，需要跟蹤測(cè)量的是橋面標(biāo)高、被更換吊桿的伸長量和對(duì)臨時(shí)吊桿加載的油壓表讀數(shù)等。對(duì)臨時(shí)吊桿每級(jí)加載后、每次割斷鋼絞線后和新吊桿各級(jí)張拉后，均需要測(cè)量橋面標(biāo)高、吊桿的伸長量，并記錄油壓表的讀數(shù)。其中吊桿的長度測(cè)量可以采用高精度全站儀或千分尺等，測(cè)量吊桿上、下錨固中心點(diǎn)的空間坐標(biāo)[4]。

吊桿更換后，要再次測(cè)量橋面標(biāo)高并與橋面初始位置進(jìn)行比較；測(cè)試新吊桿索力與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)照；測(cè)定吊桿下吊點(diǎn)撓度的變化情況，并把這些作為索力是否需要調(diào)整的依據(jù)。如果發(fā)現(xiàn)橋梁線形或吊桿索力與目標(biāo)值有較大的差異，查明原因，如果需要對(duì)吊桿進(jìn)行二次調(diào)索，則調(diào)整吊桿的索力和橋梁的線形，保證工程質(zhì)量和橋梁運(yùn)營安全。

（4）溫度效應(yīng)控制

溫度是一個(gè)復(fù)雜的隨機(jī)變量，它與橋梁所處的地理位置、方向、自然條件、組成構(gòu)件的材料等因素密切相關(guān)，它的計(jì)算準(zhǔn)確與否在確定結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形中起著重要的作用，同時(shí)結(jié)構(gòu)的溫度分布是瞬時(shí)變化的，在結(jié)構(gòu)中的溫度應(yīng)力也是瞬時(shí)變化的，具有明顯的時(shí)間性。

為解決溫度效應(yīng)的影響，應(yīng)采取的控制措施有：①現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)氣溫、溫度場(chǎng)；②根據(jù)實(shí)測(cè)溫度場(chǎng)，理論分析計(jì)算結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)效應(yīng)；③全天侯定時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)變形，了解拱肋線形及主梁標(biāo)高隨溫度變化情況。

5 力系轉(zhuǎn)換其它方案設(shè)想論述

長豐橋力系轉(zhuǎn)換臨時(shí)兜吊主要通過一對(duì)抱箍實(shí)現(xiàn)，在方案設(shè)計(jì)時(shí)，也曾設(shè)想過在原吊桿上錨板附近找兩個(gè)對(duì)稱位置鉆孔，從孔中穿2根鋼絞線束作兩根臨時(shí)吊桿（力系轉(zhuǎn)換時(shí)每根承受400KN拉力），再在吊孔安裝臨時(shí)上錨板，下錨板依然通過張拉分配梁進(jìn)行錨固。

兩種方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如下：

（1）抱箍方案因考慮一次需對(duì)稱的4根吊桿同步更換，需要投入8套臨時(shí)兜吊系統(tǒng)，材料數(shù)量較多，所以加在拱肋的臨時(shí)荷載也大一些，需要對(duì)其剛度、張度及穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算控制；安裝過程控制環(huán)節(jié)也較多，在更換15、16號(hào)短吊桿時(shí)，由于受橋梁結(jié)構(gòu)的空間影響，抱箍頂分配梁、張拉分配梁及底分配梁安裝均需要對(duì)其進(jìn)行改裝，且無法利用吊車，僅依靠倒鏈人工起吊安裝，安裝過程更復(fù)雜，安裝進(jìn)度更緩慢。主要優(yōu)點(diǎn)就是抱箍與主拱肋傳力接觸面積大，拱肋受力更均勻，拱肋結(jié)構(gòu)及防腐涂裝體系不受影響。

（2）鉆孔方案主要致命缺點(diǎn)是在主拱肋上鉆孔對(duì)其結(jié)構(gòu)完整性有破壞，吊桿更換完成后需對(duì)孔洞進(jìn)行注漿修復(fù)，由于漿液泌水收縮，注漿的飽滿度難以得到保障；另一缺點(diǎn)就是臨時(shí)吊桿上的荷載僅通過2個(gè)吊孔上的錨板傳給主拱肋，主拱肋受力不如抱箍傳遞均勻。主要優(yōu)點(diǎn)是監(jiān)時(shí)無需頂分配梁及抱箍等設(shè)備，安裝過程簡(jiǎn)單，施工可能更迅捷。

因鉆孔方案缺陷過于明顯，方案不作過深研究與詳細(xì)敘述，僅在抱箍方案受橋梁結(jié)構(gòu)的空間影響的確難以實(shí)現(xiàn)時(shí)考慮采用。

6 結(jié)束語

吊桿（系桿）拱橋受力體系較為復(fù)雜，舊橋拆除與換新過程中，力系轉(zhuǎn)換次數(shù)多，吊桿更換不論采用何種力系轉(zhuǎn)換方案都要本著保持橋梁結(jié)構(gòu)受力體系要平衡，各結(jié)構(gòu)部位受力要對(duì)稱均衡，為達(dá)到這一目的，必須要對(duì)荷載嚴(yán)格控制，每個(gè)過程均需根據(jù)監(jiān)控單位的監(jiān)控指令嚴(yán)格執(zhí)行，才能安全順利地完成吊桿更換。