虞永杰，潘興虎，龔夢(mèng)琦，周靜波，李登國(guó)，盧彭真

(1.舟山市交通工程質(zhì)量監(jiān)督局 舟山市 316000；2.浦江縣交通集團(tuán)投資公司 浦江縣 322200；3.浙江臨金高速公路有限公司 杭州市 310000；4.浙江工業(yè)大學(xué) 杭州市 310014)

1 引言

吊桿又稱(chēng)吊索，是系桿拱橋中把橋面系的恒載與活載傳遞到拱肋的關(guān)鍵受力構(gòu)件[1]，也是懸索橋中連接懸索與橋面系的構(gòu)件[2]。在系桿拱橋中，吊桿及其錨固區(qū)是連接橋面板及拱肋的重要構(gòu)件，橋面板自重及車(chē)輛人群荷載通過(guò)吊桿傳給拱肋，從而再傳至橋墩等下部結(jié)構(gòu)[3]；在懸索橋中，吊桿的作用是將橋面系的荷載傳遞給懸索，其一般用圓鋼、眼桿或鋼絞線繩制成，上端通過(guò)索夾與懸索連接，下端則與加勁梁連接。吊桿作為橋梁中的重要構(gòu)件，在多種類(lèi)型的橋梁中得到了廣泛的應(yīng)用[4]。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力不斷提升，橋梁工程也得到快速發(fā)展，各式新型橋梁開(kāi)始出現(xiàn)在實(shí)際工程中，吊桿的應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大，同時(shí)，對(duì)于吊桿結(jié)構(gòu)的缺陷、應(yīng)用問(wèn)題和后期養(yǎng)護(hù)也受到更多的關(guān)注[5-6]。

目前國(guó)內(nèi)的吊桿一般采用柔性吊桿錨固體系或剛性吊桿栓接體系。在應(yīng)用吊桿結(jié)構(gòu)的橋梁類(lèi)型中，網(wǎng)狀吊桿拱橋在國(guó)外已得到較大推廣，國(guó)內(nèi)則在鐵路橋中應(yīng)用較多，公路橋在近幾年雖然得到了一定應(yīng)用但數(shù)量較少[7]；國(guó)內(nèi)鋼拱橋的吊桿往往采用冷鑄錨式柔性吊桿，結(jié)構(gòu)上沒(méi)有太大的發(fā)展，歐洲則已經(jīng)開(kāi)始使用全焊鋼吊桿[8]；近幾年，國(guó)內(nèi)成功在斜拉橋和懸索橋中應(yīng)用了吊桿結(jié)構(gòu)，三江市臺(tái)江大橋[9]、廣西桂林麗君橋[10]分別成功將吊桿應(yīng)用在橫向拱形鋼塔斜拉橋和自錨式懸索橋中。

就吊桿的分類(lèi)及其特點(diǎn)進(jìn)行研究，探討了吊桿結(jié)構(gòu)在不同橋型中的應(yīng)用和所存在的問(wèn)題，并對(duì)吊桿在橋梁工程的應(yīng)用中所存在的常見(jiàn)問(wèn)題做了歸納和分析，為橋梁工程中吊桿結(jié)構(gòu)的應(yīng)用發(fā)展提供理論支持，同時(shí)提出建議和展望。

2 吊桿的常見(jiàn)分類(lèi)

吊桿根據(jù)力學(xué)特點(diǎn)主要分為剛性和柔性吊桿。

(1)剛性吊桿：剛性吊桿主要由鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土組成，其不僅承受拉力，在端部還受到局部彎矩，為了減小彎矩，往往增加橫橋向截面尺寸從而提高橫向剛度，同時(shí)為了減小縱向彎矩，往往在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中控制其縱向截面尺寸。剛性吊桿與拱肋和橋面板兩兩固結(jié)大大增加了結(jié)構(gòu)的整體剛度和整體穩(wěn)定性，但是，在外界荷載作用下其變形能力較差，目前已較少采用。

(2)柔性吊桿：系桿拱橋中，柔性吊桿運(yùn)用較多，索體主要材料為高強(qiáng)鋼絲、鋼絞線、平行鋼絲線等，同斜拉橋的拉索相似，柔性吊桿不僅需要有良好的抗拉能力，而且在外界環(huán)境、荷載等作用下，具有低松弛、抗疲勞、耐腐蝕性能，與剛性吊桿不同，柔性吊桿變形能力較大，一般只承受拉力。如今，柔性吊桿一般采用工廠預(yù)制的方法，其制作成本低、精度較高、性能良好，在實(shí)際工程中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。

3 吊桿在拱橋中的應(yīng)用

3.1 吊桿在系桿拱橋中的應(yīng)用

系桿拱橋作為拱橋的一種，兼具梁與拱的受力特點(diǎn)，梁與拱通過(guò)吊桿相連接，在荷載作用下，結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出梁受彎、拱受壓的組合受力情況，充分發(fā)揮了兩者的優(yōu)點(diǎn)。系桿拱橋按照吊桿的位置可分為豎直吊桿、斜吊桿、網(wǎng)格系桿拱、異型系桿拱。

(1)豎直吊桿體系又稱(chēng)蘭格爾體系，其一般布置較為均勻，受力清晰，易于控制張拉應(yīng)力，整體剛度較小。

(2)斜吊桿體系又稱(chēng)尼爾森體系，主要用于大跨度和重荷載橋梁中，實(shí)際中運(yùn)用較少。

(3)網(wǎng)格系桿拱橋主要特點(diǎn)為斜吊桿與其它吊桿交叉形成網(wǎng)格，較與前兩種，其拱肋和梁所受彎矩較小，整體剛度較大，是一種非常新穎的結(jié)構(gòu)形式，它為進(jìn)一步提高系桿拱橋的跨徑提供了可能。

(4)異型系桿拱最大特點(diǎn)是豎直吊桿布置在一斜面上，斜向受力，連接橋面板和拱肋。該體系主要適用于大跨度拱橋，同時(shí)具有造型優(yōu)美，結(jié)構(gòu)受力合理等優(yōu)點(diǎn)。

不同類(lèi)型系桿拱橋的示意圖如圖1所示。

圖1 系桿拱橋分類(lèi)

3.2 吊桿在鋼管拱橋中的應(yīng)用

鋼管拱橋作為鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)中的一種，能夠充分發(fā)揮混凝土的抗壓性能和鋼材的抗拉性能。中、下承式鋼管混凝土拱橋橋型優(yōu)美且輕盈，是近年來(lái)橋梁建設(shè)中發(fā)展較快的橋型。在中、下承式鋼管混凝土拱橋中，吊桿結(jié)構(gòu)屬于重要的受力構(gòu)件。吊桿上端固定于拱肋，下端固定于梁底。為避免人為因素對(duì)吊桿的損壞，吊桿下端往往安裝有鋼護(hù)管，管下安裝有減振圈。有推力中承式鋼管混凝土拱橋則通常采用鋼管混凝土拱肋結(jié)構(gòu)形式，并對(duì)拱腳區(qū)域進(jìn)行外包混凝土。其吊桿采用鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，橋面系的一部分通過(guò)吊桿懸掛在拱肋下，另一部分用剛架立柱支承在拱肋上。吊桿結(jié)構(gòu)的應(yīng)用使有推力中承式鋼管混凝土拱橋構(gòu)件輕巧、造型美觀、跨越能力強(qiáng)，已成為鋼管混凝土拱橋的主要橋型并在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用。

3.3 吊桿在鋼系桿拱橋中的應(yīng)用

鋼系桿拱具有主梁高度小、重量輕、跨度大等特點(diǎn)，行車(chē)道可采用下、中或上承式，適用于大、中跨橋梁結(jié)構(gòu)，工程上常用于跨越道路、河流等。與常規(guī)的系桿拱橋不同，全焊鋼系桿拱橋是將鋼吊桿、拱肋和鋼系桿通過(guò)節(jié)點(diǎn)焊接的方式連接在一起組成承重結(jié)構(gòu)，相對(duì)于采用柔性吊桿的系桿拱，具有剛度大、穩(wěn)定系數(shù)大的特點(diǎn)。此外，由于吊桿可采用圓形鋼棒或鋼管等非鈍形截面，且采用焊接工藝，使用圓鋼管吊桿大大降低了吊桿承受的風(fēng)荷載，減小了渦振效應(yīng)，而且吊點(diǎn)構(gòu)造簡(jiǎn)單，外形美觀，又節(jié)省了吊桿張拉工藝，縮短了施工工期。

4 吊桿在其它類(lèi)型橋梁中的應(yīng)用

4.1 吊桿在斜拉橋中的應(yīng)用

拱塔斜拉橋是近年出現(xiàn)的一種新橋型，該橋型在結(jié)構(gòu)體系等方面有較大創(chuàng)新，技術(shù)先進(jìn)，構(gòu)造復(fù)雜，造型美觀，通過(guò)拱、梁、拉索、吊桿的空間幾何結(jié)構(gòu)的組合營(yíng)造極強(qiáng)的立體感，有很強(qiáng)的地標(biāo)性。福建省三江市臺(tái)江大橋是一座橫向拱形鋼塔斜拉橋，其橋塔為橫向拱狀，在鋼拱塔中部設(shè)置水平吊桿,水平吊桿中間連接豎向吊桿,并通過(guò)張拉豎吊桿，用水平吊桿產(chǎn)生的張拉力來(lái)平衡鋼拱塔的水平推力。在此類(lèi)拱塔組合結(jié)構(gòu)體系中，豎吊桿的張拉是對(duì)鋼拱塔變形和應(yīng)力的控制、拱形鋼塔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、安全性的關(guān)鍵,也是整個(gè)橋施工過(guò)程的重點(diǎn)。分批張拉豎吊桿能夠較好地控制鋼拱塔的應(yīng)力,并且可以進(jìn)一步調(diào)整豎吊桿的張拉來(lái)改善鋼拱塔的受力。豎吊桿的張拉不僅在施工階段控制著鋼拱塔的應(yīng)力變化及形變，在成橋及運(yùn)營(yíng)階段對(duì)鋼拱塔的受力也有較大影響。

4.2 吊桿在懸索橋中的應(yīng)用

懸索橋的吊桿作為傳力構(gòu)件，其連接著加勁梁和主纜。因此，吊桿的性能與懸索橋的安全運(yùn)營(yíng)息息相關(guān)。自錨式懸索橋恒載主要由主纜和吊桿承受,通過(guò)吊桿傳至主纜,主纜錨固在錨旋橫梁上,鋼桁架加勁梁亦埋入錨碇橫梁內(nèi),錨碇橫梁通過(guò)板式橡膠支座放置在橋臺(tái)上,加勁梁水平力與主纜水平力平衡，因此自錨式懸索橋的錨碇可以設(shè)計(jì)得很小,既經(jīng)濟(jì)又美觀。自錨式懸索橋中對(duì)全橋吊桿進(jìn)行循環(huán)張拉,從而進(jìn)行吊桿張拉和索力調(diào)整，同時(shí)頂推塔頂索鞍，當(dāng)?shù)鯒U長(zhǎng)度不足時(shí)還需采用接長(zhǎng)等特殊措施。盡管該方法通過(guò)精細(xì)化計(jì)算和嚴(yán)格施工控制可以有效減少吊桿張拉次數(shù),但在實(shí)際施工中效果有限,循環(huán)張拉往往要4次以上，任務(wù)繁重，其結(jié)構(gòu)以及施工人員的安全也存在隱患。通過(guò)頂升主梁使其達(dá)到預(yù)定狀態(tài),吊桿就能夠無(wú)應(yīng)力順利安裝，吊桿安裝落位后再落梁，能夠逐步使吊桿受力完成體系轉(zhuǎn)換至成橋狀態(tài)。長(zhǎng)沙市湘江三汊磯橋采用該技術(shù)且取得成功,大大減少了張拉次數(shù),為自錨式懸索橋吊桿的安裝取得了良好的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

5 吊桿技術(shù)在橋梁工程應(yīng)用中存在的問(wèn)題

吊桿在橋梁結(jié)構(gòu)體系中扮演著重要的承重構(gòu)件作用，其服役過(guò)程中的質(zhì)量問(wèn)題直接關(guān)系到橋梁承載能力問(wèn)題。事實(shí)上，吊桿構(gòu)件卻是這幾類(lèi)橋梁結(jié)構(gòu)中耐久性較為薄弱的部分。近年來(lái)發(fā)生的一些橋梁破壞事故中，有不少為吊桿體系的破壞所導(dǎo)致。吊桿在實(shí)際工程中經(jīng)常會(huì)發(fā)生護(hù)套開(kāi)裂老化、索體銹蝕和錨固系統(tǒng)病害等問(wèn)題。現(xiàn)對(duì)吊桿使用過(guò)程中的主要病害及影響因素進(jìn)行闡述。

5.1 吊桿防護(hù)病害

吊桿護(hù)套分為金屬護(hù)套和有機(jī)護(hù)套兩類(lèi)，金屬護(hù)套的主要病害類(lèi)型包括因環(huán)境因素引起的銹蝕及內(nèi)部水泥砂漿的開(kāi)裂，有機(jī)護(hù)套的病害類(lèi)型主要為因材料老化、外荷載及長(zhǎng)期高應(yīng)力的作用引起的開(kāi)裂。成因主要有：

(1)索體的應(yīng)力狀態(tài)。系桿拱橋中，吊桿需要承受巨大的拉應(yīng)力，在拉索工作時(shí)，護(hù)套也同樣處于高應(yīng)力狀態(tài)。長(zhǎng)此以往，分子間的結(jié)合能力降低，從而導(dǎo)致護(hù)套的開(kāi)裂，且開(kāi)裂形狀以環(huán)狀為主。

(2)防護(hù)材料的收縮效應(yīng)。灌漿水泥在凝固過(guò)程中自身會(huì)發(fā)生收縮，在施工過(guò)程中若未對(duì)混凝土進(jìn)行預(yù)壓，砂漿容易開(kāi)裂；防護(hù)材料的收縮同樣是造成有機(jī)護(hù)套開(kāi)裂的重要原因。

(3)拉索的松弛和防護(hù)材料的變形。索體的長(zhǎng)期受拉狀態(tài)將導(dǎo)致金屬材料的松弛，從而造成索類(lèi)構(gòu)件的變長(zhǎng)，其防護(hù)材料也因此被拉裂。

(4)交變荷載導(dǎo)致的材料變形。在交變荷載的持續(xù)作用下，索體的伸長(zhǎng)量不一，不僅會(huì)破壞防護(hù)材料的整體性，也會(huì)導(dǎo)致吊桿與錨固系統(tǒng)連接處出現(xiàn)轉(zhuǎn)角，進(jìn)而造成開(kāi)裂現(xiàn)象。

(5)溫度變化。吊桿的鋼索和防護(hù)材料在外界溫度作用下會(huì)發(fā)生熱脹冷縮，但由于兩者的熱膨脹系數(shù)相差較大，溫度作用下的變形不協(xié)調(diào)，從而發(fā)生開(kāi)裂破壞。

(6)材料的老化。PE護(hù)套在外界紫外線和溫度作用下，極易發(fā)生老化，工程中雖然摻入抗老化劑，在一定年限后其表面依舊會(huì)出現(xiàn)裂紋。

(7)護(hù)套表面的劃傷。外層防護(hù)特別是有機(jī)護(hù)套在制作、運(yùn)輸、安裝等過(guò)程中往往會(huì)出現(xiàn)劃傷現(xiàn)象，這會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致內(nèi)部應(yīng)力分布不均勻，從而導(dǎo)致開(kāi)裂破壞。

(8)金屬護(hù)套在外界雨水、汽車(chē)尾氣等作用下，金屬套管表面油漆易發(fā)生腐蝕剝落從而造成破壞。

5.2 吊桿索體病害

實(shí)際工程中，系桿拱橋吊桿索體腐蝕主要是由護(hù)套的開(kāi)裂失效導(dǎo)致的水汽、氧等物質(zhì)與索體接觸發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的銹蝕作用導(dǎo)致。其中，腐蝕主要分為應(yīng)力腐蝕和銹蝕作用。從一系列事故看來(lái)，吊桿的破壞往往是索體的疲勞和銹蝕共同作用下所引起的。荷載交變性導(dǎo)致的疲勞導(dǎo)致了防護(hù)措施的有效性降低，腐蝕又降低了索體的抗拉強(qiáng)度。此外，外界環(huán)境和吊桿的應(yīng)力大小也會(huì)對(duì)吊桿腐蝕產(chǎn)生影響。

5.3 錨固系統(tǒng)病害

錨固系統(tǒng)的主要病害為錨頭滲水和錨具的銹蝕兩大類(lèi)。滲水原因主要有：護(hù)套開(kāi)裂破壞，從而雨水進(jìn)入造成銹蝕破壞；吊桿與橋面的梁端結(jié)合部存在著縫隙導(dǎo)致的錨頭進(jìn)水；索體與錨具相連接出現(xiàn)的裂縫導(dǎo)致漏水。除此之外，當(dāng)出現(xiàn)未設(shè)置保護(hù)罩或其密封不牢固等問(wèn)題，也會(huì)導(dǎo)致錨具的銹蝕。錨具的銹蝕可能直接導(dǎo)致整個(gè)錨固系統(tǒng)的失效，進(jìn)而造成吊桿與橋面板的脫離、橋面板損壞、橋梁結(jié)構(gòu)的失效等，甚至出現(xiàn)橋梁垮塌事故。

6 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)吊桿結(jié)構(gòu)的詳細(xì)闡述，包括吊桿的分類(lèi)、吊桿在不同橋型中的應(yīng)用，以及吊桿技術(shù)在橋梁工程應(yīng)用中常見(jiàn)的病害以及預(yù)防措施，主要在系桿拱橋、鋼管拱橋、鋼系桿拱橋、斜拉橋、懸索橋中的應(yīng)用，吊桿護(hù)套的病害，吊桿設(shè)計(jì)使用壽命較短等，為吊桿技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用技術(shù)提升提供理論支持。

(2)通過(guò)對(duì)系桿拱橋、懸索橋等橋型吊桿結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、受力與關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹，闡述了其工作機(jī)理，證明了如全焊鋼系桿拱橋、自錨式懸索橋在橋梁工程中具有很大的適用性和先進(jìn)性。因此，對(duì)此類(lèi)橋梁的設(shè)計(jì)與研究非常重要。

(3)隨著橋梁運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增長(zhǎng)，吊桿結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)病害，為保障橋梁的安全運(yùn)營(yíng)，需對(duì)病害進(jìn)行準(zhǔn)確分析，并在其基礎(chǔ)上采用合理措施進(jìn)行有效處治。同時(shí)，為了提高橋梁的剛度、方便現(xiàn)場(chǎng)施工、增加結(jié)構(gòu)耐久性，仍需研究出更為先進(jìn)的吊桿施工工藝。