郭立成， 楊文甫

(1.佛山市路橋建設(shè)有限公司，廣東 佛山 528303; 2.廣東盛翔交通工程檢測(cè)有限公司，廣東 廣州 511400)

0 引言

拱橋吊桿是將橋面荷載傳遞至拱結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵受力構(gòu)件，也是橋梁安全運(yùn)營(yíng)的薄弱環(huán)節(jié)。吊桿長(zhǎng)期暴露在空氣中，在環(huán)境侵蝕和疲勞荷載作用下，不可能避免地出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷與性能退化[1]。同時(shí)，不斷增加的交通荷載和日益頻繁的超速超載現(xiàn)象又進(jìn)一步加劇了吊桿惡化速率[2]。近年來，已有多座拱橋出現(xiàn)了由于吊桿銹蝕斷裂造成的橋梁垮塌重大安全事故[3-5]。

吊桿的設(shè)計(jì)使用年限為20 a[6]，對(duì)達(dá)到使用年限的吊桿進(jìn)行更換是保障橋梁結(jié)構(gòu)安全的有效方法之一。而如何有效降低吊桿更換過程對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，保障吊桿更換完成后結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)不發(fā)生改變，是吊桿更換的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[7-9]。

以高明大橋?yàn)槔榻B了中承式鋼管混凝土拱橋吊桿更換方案、施工技術(shù)及施工監(jiān)控技術(shù)，為同類橋梁吊桿更換提供參考。

1 工程概況

高明大橋是廣海線西線上橫跨西江的一座特大橋，于1991年11月建成通車。主跨采用2×110 m中承式鋼管混凝土拱橋，橋梁立面布置如圖1所示。主拱肋采用啞鈴型斷面，鋼管壁厚為10 mm，直徑為0.75 m，鋼管間距12.5 m。拱腳段內(nèi)灌C40混凝土，其他節(jié)段內(nèi)灌C30混凝土。橋面全寬12.56 m，車行道寬9 m。全橋共設(shè)置36根吊桿，吊桿規(guī)格為5-109平行鋼絲索，抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 600 MPa。

圖1 橋梁立面布置圖(單位: m)

在 2011年檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)該橋吊桿索力變化較大。與上一次檢測(cè)結(jié)果相比，吊桿最大變化幅度達(dá)11%。該橋吊桿已服役超過20 a，因此，于2015年對(duì)全橋吊桿進(jìn)行更換。

2 吊桿更換方案

2.1 技術(shù)難點(diǎn)

根據(jù)該橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與環(huán)境限制，該橋吊桿更換面臨以下技術(shù)難點(diǎn)：

1)吊桿在拱肋和梁端有預(yù)埋鋼管，但管徑較小(內(nèi)徑100 mm)。由于該橋拱肋安全系數(shù)較低，新吊桿安裝不得在拱肋上擴(kuò)孔，不得削弱拱肋原結(jié)構(gòu)截面積。橫梁上的預(yù)留管道外壁與布設(shè)管道兩側(cè)的預(yù)應(yīng)力鋼絞線距離僅30 mm，為避免擴(kuò)孔破壞預(yù)應(yīng)力鋼絞線，亦不能在橫梁上擴(kuò)孔。

2)根據(jù)航道管理部門規(guī)劃，該航道提升在即，為確保通航及橋梁的安全性，要求新吊桿不得突出梁底，不得壓縮通航凈空。

3)目前市場(chǎng)上公稱破斷索力不小于原吊桿的成品索，其錨頭尺寸均大于原預(yù)埋管孔道，無法使用成品索進(jìn)行更換。只有墩頭錨、夾片錨和鋼拉桿能滿足現(xiàn)有預(yù)埋管孔徑要求。但墩頭錨因性能較差，目前市場(chǎng)已經(jīng)淘汰停產(chǎn)；夾片錨則突出橫梁及拱肋太多，無法滿足通航凈空要求及景觀要求；而鋼拉桿剛度大，不能適應(yīng)吊桿的縱向擺動(dòng)，其受力復(fù)雜，易產(chǎn)生疲勞破壞。

2.2 新吊桿設(shè)計(jì)

為解決上述難點(diǎn)，提出了一種鉸接式新型吊桿，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 鉸接式吊桿結(jié)構(gòu)示意圖(單位： mm)

該鉸接式新型吊桿有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)高明大橋?yàn)槿◇w系橋，為滿足吊桿縱向較大位移變化，兩端采用叉耳鉸接，叉耳設(shè)置了向心關(guān)節(jié)軸承，能提供2°的轉(zhuǎn)角，可很好地消除轉(zhuǎn)動(dòng)引起的應(yīng)力與變形。由于該種結(jié)構(gòu)體系將吊桿縱向位移引起的吊桿剪切變形轉(zhuǎn)變?yōu)殇摾瓧U的軸向拉伸，極大地提高了吊桿疲勞壽命。同時(shí)，對(duì)叉耳局部進(jìn)行加強(qiáng)，保障結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度。

2) 拱肋下緣或橫梁上端固定有限位裝置。鋼拉桿受到其他方向的荷載后，首先接觸限位裝置中的緩沖螺母，再將荷載傳遞至剛度較大的拱肋或橫梁上，消除鋼拉桿的變形，確保鋼拉桿承受軸向拉力。

2.3 吊桿更換順序及臨時(shí)吊桿張拉力

吊桿更換以盡量不改變結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)、保持橋梁穩(wěn)定性為原則，兼顧施工效率。確定吊桿更換順序?yàn)閺拈L(zhǎng)吊桿向短吊桿依次對(duì)稱進(jìn)行更換。

采用Midas/Civil建立該橋有限元模型，對(duì)吊桿更換全過程進(jìn)行分析。由于大橋引橋?yàn)槎嗫鐭o鉸拱，出于節(jié)省計(jì)算時(shí)間考慮，在拱腳的約束中施加橋墩的水平抗推剛度和鄰孔拱圈的抗推剛度，從而考慮連拱效應(yīng)作用。有限元模型如圖3所示。

圖3 高明大橋有限元模型

主要計(jì)算結(jié)果如下：

1)恒載作用下，全橋吊桿索力如表1所示。由表1可知，全橋各吊桿索力較為均勻，吊索索力為426.3～434.2 kN。

表1 恒載作用下的吊桿索力編號(hào)吊桿索力/kN編號(hào)吊桿索力/kN1429.06434.12433.37433.83433.88433.34434.19426.35434.2

2)為避免吊桿更換過程中橋面變形過大而導(dǎo)致開裂，以橋面變形小于5 mm為控制指標(biāo)，計(jì)算臨時(shí)吊桿張拉力。通過給臨時(shí)吊桿施加不同的初拉力反復(fù)迭代計(jì)算，據(jù)恒載作用下的吊桿理論索力，將吊桿索力分為4級(jí)(每級(jí)113 kN)，逐級(jí)施加至臨時(shí)吊桿，可滿足橋面變形小于5 mm的要求。

3 吊桿更換施工技術(shù)

根據(jù)該橋特點(diǎn)，采用臨時(shí)兜吊法進(jìn)行吊桿更換，施工過程主要分為以下幾步：新吊桿的制作與防護(hù)→吊桿更換平臺(tái)搭建→臨時(shí)吊桿體系安裝→兜吊系統(tǒng)預(yù)緊→吊桿逐級(jí)放張→拆除原吊桿→清理預(yù)埋管→新吊桿的安裝與張拉→卸除臨時(shí)吊桿→吊桿索力調(diào)整→吊桿附件安裝及防護(hù)。本文僅針對(duì)施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹。

3.1 吊桿更換操作平臺(tái)搭建

吊桿更換施工操作平臺(tái)包括2部分，分別位于主拱上端和吊桿下端。主拱上端操作平臺(tái)用架管搭設(shè)，采用在吊桿旁橋面和人行道搭設(shè)臨時(shí)支架的方法，主要用于吊桿張拉和新吊桿安裝。吊桿下端操作平臺(tái)為施工掛籃，考慮汛期及操作人員安全，掛籃下面用鋼筋和角鋼搭設(shè)安全防護(hù)架，并在防護(hù)架上先鋪設(shè)木跳板，然后鋪設(shè)圍席進(jìn)行遮擋，用于安裝下錨頭及安裝張拉設(shè)備、張拉吊桿。吊桿更換操作平臺(tái)搭建如圖4所示。

a) 橋面支架搭設(shè)

b)橋下掛籃安裝

3.2 臨時(shí)吊桿體系安裝

首先，按最長(zhǎng)位置的臨時(shí)吊桿鋼絞線長(zhǎng)度進(jìn)行鋼絞線下料，下料長(zhǎng)度14 m，數(shù)量36根，下料后在鋼絞線的一端擠壓P錨。之后，將臨時(shí)吊桿鋼絞線運(yùn)至拱上，從張拉平臺(tái)的4個(gè)挑梁端上錨固點(diǎn)預(yù)留孔穿下，每孔穿1根，由夾片錨進(jìn)行錨固，下端P錨留平，在上錨點(diǎn)共安裝4臺(tái)千斤頂進(jìn)行臨時(shí)吊桿鋼絞線張拉。然后，從橋面安裝轉(zhuǎn)換梁，要求轉(zhuǎn)換梁水平，每束臨時(shí)吊桿鋼絞線與轉(zhuǎn)換梁P錨卡接。將托梁放到梁底，用鋼絲繩葫蘆臨時(shí)固定。最后將拉桿鋼絞線穿過轉(zhuǎn)換梁和梁底托梁的預(yù)留孔，上下端安裝P錨卡頭。臨時(shí)吊桿體系安裝如圖5所示。

a) 臨時(shí)吊桿

b)張拉設(shè)備

3.3 兜吊系統(tǒng)預(yù)緊

兜吊系統(tǒng)組裝完成后，調(diào)整轉(zhuǎn)換梁、托梁位置，安裝好限位裝置，使結(jié)構(gòu)保持可靠連接。預(yù)緊調(diào)平臨時(shí)吊桿鋼絞線。用千斤頂對(duì)臨時(shí)吊桿鋼絞線進(jìn)行同步張拉，在張拉時(shí)要求對(duì)左右及上下游4根臨時(shí)吊桿鋼絞線同步進(jìn)行受力，預(yù)緊時(shí)張拉油壓控制在5 MPa。對(duì)臨時(shí)吊桿鋼絞線進(jìn)行預(yù)緊張拉的同時(shí)，監(jiān)測(cè)橋面標(biāo)高。橋面標(biāo)高上下位移不能超過設(shè)計(jì)要求誤差范圍。

3.4 吊桿逐級(jí)放張

采用逐級(jí)加載(釋放)內(nèi)力的方法，將原有吊桿索力逐步轉(zhuǎn)移到臨時(shí)吊桿上，從而可以實(shí)現(xiàn)分批帶力剪索(即吊桿鋼絲在受力狀態(tài)下被分批切斷)。在索力轉(zhuǎn)換全過程中，應(yīng)注意跟蹤監(jiān)測(cè)索力和更換吊桿所在處的橋面撓度變化，觀察橋面有無裂縫產(chǎn)生，同時(shí)還應(yīng)進(jìn)行鄰近點(diǎn)橋面標(biāo)高的測(cè)量以判斷是否需要調(diào)整索力。

3.5 原吊桿的拆除

原吊桿的斷索采用電焊點(diǎn)斷進(jìn)行，吊桿切斷后，吊桿橫梁內(nèi)預(yù)埋管的清理先用電錘配合自制的加長(zhǎng)鉆頭，鑿除護(hù)管內(nèi)水泥砂漿，并隨時(shí)清除廢渣。鑿到一定深度(大約20 cm)時(shí)，鉆頭方向不好控制，改為人工鑿除，鑿除可以上下進(jìn)行。

吊桿取出后，用加長(zhǎng)的鋼釬鑿除粘附在預(yù)埋管內(nèi)壁的混凝土(均勻的混凝土厚度應(yīng)為30 mm左右)，然后用鋼刷對(duì)導(dǎo)管內(nèi)側(cè)除銹，除銹完畢后刷防銹油漆。

3.6 新吊桿的安裝與張拉

原吊桿預(yù)埋管清理完畢后應(yīng)及時(shí)安裝新吊桿。新吊桿上錨頭從鋼管拱預(yù)埋管自下而上穿入，下錨頭對(duì)準(zhǔn)梁端預(yù)埋管自上而下穿入。然后，擰緊上端錨頭螺母，在下錨頭處安裝矯正裝置，擰緊下端錨頭螺母。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，調(diào)節(jié)螺母位置。其次，安裝吊桿張拉設(shè)備，并調(diào)整對(duì)中。根據(jù)設(shè)計(jì)張拉索力值、標(biāo)高控制量對(duì)吊桿進(jìn)行張拉及橋面標(biāo)高調(diào)整。張拉過程中交替逐步放松臨時(shí)吊桿。張拉到設(shè)計(jì)噸位、標(biāo)高調(diào)整合適后，鎖緊螺母，卸除張拉設(shè)備。最后，對(duì)錨頭進(jìn)行防水、防腐處理，安裝減振體。

3.7 吊桿索力調(diào)整

在全橋吊桿更換完成及橋面系加固完成后，測(cè)量全橋吊桿索力和橋面控制點(diǎn)標(biāo)高。通過計(jì)算分析確定吊桿索力和橋面標(biāo)高是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，如果存在偏差，則需要進(jìn)一步調(diào)整吊桿索力。吊桿索力調(diào)整方法與吊桿張拉方法類似。全橋調(diào)索完后再測(cè)一次索力和標(biāo)高，作為施工紀(jì)錄予以保存。

4 施工監(jiān)控

4.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

1) 溫度監(jiān)測(cè)。橋面標(biāo)高受溫度的影響較大，根據(jù)吊桿更換前10 d的溫度與橋面線形變化關(guān)系，對(duì)吊桿更換過程中的橋面標(biāo)高進(jìn)行溫度修正。

2) 橋面標(biāo)高監(jiān)測(cè)。在吊桿下吊點(diǎn)橫梁位置布置測(cè)釘，采用精密水準(zhǔn)儀對(duì)吊桿更換過程中橋面標(biāo)高進(jìn)行監(jiān)測(cè)。測(cè)量宜在氣溫相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)段進(jìn)行。測(cè)量時(shí)應(yīng)記錄測(cè)時(shí)溫度，以便進(jìn)行溫度修正。力求完工后橋面標(biāo)高與設(shè)計(jì)值一致。

3) 吊桿索力監(jiān)測(cè)。采用壓力表法對(duì)吊桿更換過程中全橋吊桿索力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并采用索力動(dòng)測(cè)儀進(jìn)行校核。根據(jù)索力等量替換原則，力求完工后新吊桿達(dá)到原吊桿的設(shè)計(jì)索力值。

4.2 控制標(biāo)準(zhǔn)

吊桿更換過程中對(duì)吊桿索力及橋面標(biāo)高進(jìn)行控制?？刂茦?biāo)準(zhǔn)為吊桿索力偏差不超過5%，橋面標(biāo)高變化量在±5 mm以內(nèi)。

4.3 監(jiān)控結(jié)果分析

以第一跨監(jiān)控結(jié)果為例進(jìn)行計(jì)算分析，吊桿更換前后，橋面標(biāo)高變化量如圖6所示，吊桿索力如圖7所示。

由圖6、圖7可知：

圖6 吊桿更換后的橋面標(biāo)高變化

a) 上游側(cè)吊桿

b) 下游側(cè)吊桿

1)吊桿更換前后，橋面標(biāo)高變化較小，其變化范圍為-2.9～0.9 mm。表明吊桿更換前后，橋面線形基本維持原狀，確保橋面不因吊桿更換引起過大線形變化而損壞。

2)吊桿更換前、后索力變化范圍為2.2～18.9 kN，變化幅度為0.5%～4.4%，滿足控制標(biāo)準(zhǔn)。表明吊桿索力分布均勻，橋梁受力狀態(tài)較好。

5 結(jié)語(yǔ)

高明大橋?yàn)橹谐惺戒摴芑炷恋鯒U拱橋，采用臨時(shí)兜吊系統(tǒng)對(duì)全橋吊桿進(jìn)行了更換，得到如下結(jié)論：

1)針對(duì)該橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與環(huán)境限制，提出了一種新型的可更換鉸接式吊桿。該吊桿可適應(yīng)較大的縱向位移，極大地提高了新吊桿疲勞壽命。

2)介紹了吊桿更換過程中的關(guān)鍵施工技術(shù)。通過采用科學(xué)、有效的施工方案和合理、高效的施工組織，實(shí)現(xiàn)了該橋吊桿的安全、高效更換。

3)在吊桿更換過程中，對(duì)橋面標(biāo)高及吊桿索力進(jìn)行了嚴(yán)格控制。根據(jù)施工監(jiān)控結(jié)果，吊桿更換前后，橋面標(biāo)高變化范圍為-2.9～0.9 mm，索力變化幅度0.5%～4.4%，各項(xiàng)監(jiān)控指標(biāo)均在控制范圍以內(nèi)，吊桿更換前后，橋梁狀態(tài)基本維持原狀。