中承式钢管混凝土拱桥吊杆更换关键技术

郭立成， 杨文甫

(1.佛山市路桥建设有限公司，广东 佛山 528303; 2.广东盛翔交通工程检测有限公司，广东 广州 511400)

0 引言

拱桥吊杆是将桥面荷载传递至拱结构的关键受力构件，也是桥梁安全运营的薄弱环节。吊杆长期暴露在空气中，在环境侵蚀和疲劳荷载作用下，不可能避免地出现结构损伤与性能退化[1]。同时，不断增加的交通荷载和日益频繁的超速超载现象又进一步加剧了吊杆恶化速率[2]。近年来，已有多座拱桥出现了由于吊杆锈蚀断裂造成的桥梁垮塌重大安全事故[3-5]。

吊杆的设计使用年限为20 a[6]，对达到使用年限的吊杆进行更换是保障桥梁结构安全的有效方法之一。而如何有效降低吊杆更换过程对结构的影响，保障吊杆更换完成后结构的受力状态不发生改变，是吊杆更换的关键环节[7-9]。

以高明大桥为例，介绍了中承式钢管混凝土拱桥吊杆更换方案、施工技术及施工监控技术，为同类桥梁吊杆更换提供参考。

1 工程概况

高明大桥是广海线西线上横跨西江的一座特大桥，于1991年11月建成通车。主跨采用2×110 m中承式钢管混凝土拱桥，桥梁立面布置如图1所示。主拱肋采用哑铃型断面，钢管壁厚为10 mm，直径为0.75 m，钢管间距12.5 m。拱脚段内灌C40混凝土，其他节段内灌C30混凝土。桥面全宽12.56 m，车行道宽9 m。全桥共设置36根吊杆，吊杆规格为5-109平行钢丝索，抗拉标准强度为1 600 MPa。

图1 桥梁立面布置图(单位: m)

在 2011年检测中发现该桥吊杆索力变化较大。与上一次检测结果相比，吊杆最大变化幅度达11%。该桥吊杆已服役超过20 a，因此，于2015年对全桥吊杆进行更换。

2 吊杆更换方案

2.1 技术难点

根据该桥结构特点与环境限制，该桥吊杆更换面临以下技术难点：

1)吊杆在拱肋和梁端有预埋钢管，但管径较小(内径100 mm)。由于该桥拱肋安全系数较低，新吊杆安装不得在拱肋上扩孔，不得削弱拱肋原结构截面积。横梁上的预留管道外壁与布设管道两侧的预应力钢绞线距离仅30 mm，为避免扩孔破坏预应力钢绞线，亦不能在横梁上扩孔。

2)根据航道管理部门规划，该航道提升在即，为确保通航及桥梁的安全性，要求新吊杆不得突出梁底，不得压缩通航净空。

3)目前市场上公称破断索力不小于原吊杆的成品索，其锚头尺寸均大于原预埋管孔道，无法使用成品索进行更换。只有墩头锚、夹片锚和钢拉杆能满足现有预埋管孔径要求。但墩头锚因性能较差，目前市场已经淘汰停产；夹片锚则突出横梁及拱肋太多，无法满足通航净空要求及景观要求；而钢拉杆刚度大，不能适应吊杆的纵向摆动，其受力复杂，易产生疲劳破坏。

2.2 新吊杆设计

为解决上述难点，提出了一种铰接式新型吊杆，其结构如图2所示。

图2 铰接式吊杆结构示意图(单位： mm)

该铰接式新型吊杆有如下优点：

1)高明大桥为全漂浮体系桥，为满足吊杆纵向较大位移变化，两端采用叉耳铰接，叉耳设置了向心关节轴承，能提供2°的转角，可很好地消除转动引起的应力与变形。由于该种结构体系将吊杆纵向位移引起的吊杆剪切变形转变为钢拉杆的轴向拉伸，极大地提高了吊杆疲劳寿命。同时，对叉耳局部进行加强，保障结构具有足够的强度。

2) 拱肋下缘或横梁上端固定有限位装置。钢拉杆受到其他方向的荷载后，首先接触限位装置中的缓冲螺母，再将荷载传递至刚度较大的拱肋或横梁上，消除钢拉杆的变形，确保钢拉杆承受轴向拉力。

2.3 吊杆更换顺序及临时吊杆张拉力

吊杆更换以尽量不改变结构的受力状态、保持桥梁稳定性为原则，兼顾施工效率。确定吊杆更换顺序为从长吊杆向短吊杆依次对称进行更换。

采用Midas/Civil建立该桥有限元模型，对吊杆更换全过程进行分析。由于大桥引桥为多跨无铰拱，出于节省计算时间考虑，在拱脚的约束中施加桥墩的水平抗推刚度和邻孔拱圈的抗推刚度，从而考虑连拱效应作用。有限元模型如图3所示。

图3 高明大桥有限元模型

主要计算结果如下：

1)恒载作用下，全桥吊杆索力如表1所示。由表1可知，全桥各吊杆索力较为均匀，吊索索力为426.3～434.2 kN。

表1 恒载作用下的吊杆索力编号吊杆索力/kN编号吊杆索力/kN1429.06434.12433.37433.83433.88433.34434.19426.35434.2

2)为避免吊杆更换过程中桥面变形过大而导致开裂，以桥面变形小于5 mm为控制指标，计算临时吊杆张拉力。通过给临时吊杆施加不同的初拉力反复迭代计算，据恒载作用下的吊杆理论索力，将吊杆索力分为4级(每级113 kN)，逐级施加至临时吊杆，可满足桥面变形小于5 mm的要求。

3 吊杆更换施工技术

根据该桥特点，采用临时兜吊法进行吊杆更换，施工过程主要分为以下几步：新吊杆的制作与防护→吊杆更换平台搭建→临时吊杆体系安装→兜吊系统预紧→吊杆逐级放张→拆除原吊杆→清理预埋管→新吊杆的安装与张拉→卸除临时吊杆→吊杆索力调整→吊杆附件安装及防护。本文仅针对施工关键技术进行介绍。

3.1 吊杆更换操作平台搭建

吊杆更换施工操作平台包括2部分，分别位于主拱上端和吊杆下端。主拱上端操作平台用架管搭设，采用在吊杆旁桥面和人行道搭设临时支架的方法，主要用于吊杆张拉和新吊杆安装。吊杆下端操作平台为施工挂篮，考虑汛期及操作人员安全，挂篮下面用钢筋和角钢搭设安全防护架，并在防护架上先铺设木跳板，然后铺设围席进行遮挡，用于安装下锚头及安装张拉设备、张拉吊杆。吊杆更换操作平台搭建如图4所示。

a) 桥面支架搭设

b)桥下挂篮安装

3.2 临时吊杆体系安装

首先，按最长位置的临时吊杆钢绞线长度进行钢绞线下料，下料长度14 m，数量36根，下料后在钢绞线的一端挤压P锚。之后，将临时吊杆钢绞线运至拱上，从张拉平台的4个挑梁端上锚固点预留孔穿下，每孔穿1根，由夹片锚进行锚固，下端P锚留平，在上锚点共安装4台千斤顶进行临时吊杆钢绞线张拉。然后，从桥面安装转换梁，要求转换梁水平，每束临时吊杆钢绞线与转换梁P锚卡接。将托梁放到梁底，用钢丝绳葫芦临时固定。最后将拉杆钢绞线穿过转换梁和梁底托梁的预留孔，上下端安装P锚卡头。临时吊杆体系安装如图5所示。

a) 临时吊杆

b)张拉设备

3.3 兜吊系统预紧

兜吊系统组装完成后，调整转换梁、托梁位置，安装好限位装置，使结构保持可靠连接。预紧调平临时吊杆钢绞线。用千斤顶对临时吊杆钢绞线进行同步张拉，在张拉时要求对左右及上下游4根临时吊杆钢绞线同步进行受力，预紧时张拉油压控制在5 MPa。对临时吊杆钢绞线进行预紧张拉的同时，监测桥面标高。桥面标高上下位移不能超过设计要求误差范围。

3.4 吊杆逐级放张

采用逐级加载(释放)内力的方法，将原有吊杆索力逐步转移到临时吊杆上，从而可以实现分批带力剪索(即吊杆钢丝在受力状态下被分批切断)。在索力转换全过程中，应注意跟踪监测索力和更换吊杆所在处的桥面挠度变化，观察桥面有无裂缝产生，同时还应进行邻近点桥面标高的测量以判断是否需要调整索力。

3.5 原吊杆的拆除

原吊杆的断索采用电焊点断进行，吊杆切断后，吊杆横梁内预埋管的清理先用电锤配合自制的加长钻头，凿除护管内水泥砂浆，并随时清除废渣。凿到一定深度(大约20 cm)时，钻头方向不好控制，改为人工凿除，凿除可以上下进行。

吊杆取出后，用加长的钢钎凿除粘附在预埋管内壁的混凝土(均匀的混凝土厚度应为30 mm左右)，然后用钢刷对导管内侧除锈，除锈完毕后刷防锈油漆。

3.6 新吊杆的安装与张拉

原吊杆预埋管清理完毕后应及时安装新吊杆。新吊杆上锚头从钢管拱预埋管自下而上穿入，下锚头对准梁端预埋管自上而下穿入。然后，拧紧上端锚头螺母，在下锚头处安装矫正装置，拧紧下端锚头螺母。根据设计要求，调节螺母位置。其次，安装吊杆张拉设备，并调整对中。根据设计张拉索力值、标高控制量对吊杆进行张拉及桥面标高调整。张拉过程中交替逐步放松临时吊杆。张拉到设计吨位、标高调整合适后，锁紧螺母，卸除张拉设备。最后，对锚头进行防水、防腐处理，安装减振体。

3.7 吊杆索力调整

在全桥吊杆更换完成及桥面系加固完成后，测量全桥吊杆索力和桥面控制点标高。通过计算分析确定吊杆索力和桥面标高是否达到设计要求，如果存在偏差，则需要进一步调整吊杆索力。吊杆索力调整方法与吊杆张拉方法类似。全桥调索完后再测一次索力和标高，作为施工纪录予以保存。

4 施工监控

4.1 监测内容

1) 温度监测。桥面标高受温度的影响较大，根据吊杆更换前10 d的温度与桥面线形变化关系，对吊杆更换过程中的桥面标高进行温度修正。

2) 桥面标高监测。在吊杆下吊点横梁位置布置测钉，采用精密水准仪对吊杆更换过程中桥面标高进行监测。测量宜在气温相对稳定的时段进行。测量时应记录测时温度，以便进行温度修正。力求完工后桥面标高与设计值一致。

3) 吊杆索力监测。采用压力表法对吊杆更换过程中全桥吊杆索力进行监测，并采用索力动测仪进行校核。根据索力等量替换原则，力求完工后新吊杆达到原吊杆的设计索力值。

4.2 控制标准

吊杆更换过程中对吊杆索力及桥面标高进行控制。控制标准为吊杆索力偏差不超过5%，桥面标高变化量在±5 mm以内。

4.3 监控结果分析

以第一跨监控结果为例进行计算分析，吊杆更换前后，桥面标高变化量如图6所示，吊杆索力如图7所示。

由图6、图7可知：

图6 吊杆更换后的桥面标高变化

a) 上游侧吊杆

b) 下游侧吊杆

1)吊杆更换前后，桥面标高变化较小，其变化范围为-2.9～0.9 mm。表明吊杆更换前后，桥面线形基本维持原状，确保桥面不因吊杆更换引起过大线形变化而损坏。

2)吊杆更换前、后索力变化范围为2.2～18.9 kN，变化幅度为0.5%～4.4%，满足控制标准。表明吊杆索力分布均匀，桥梁受力状态较好。

5 结语

高明大桥为中承式钢管混凝土吊杆拱桥，采用临时兜吊系统对全桥吊杆进行了更换，得到如下结论：

1)针对该桥结构特点与环境限制，提出了一种新型的可更换铰接式吊杆。该吊杆可适应较大的纵向位移，极大地提高了新吊杆疲劳寿命。

2)介绍了吊杆更换过程中的关键施工技术。通过采用科学、有效的施工方案和合理、高效的施工组织，实现了该桥吊杆的安全、高效更换。

3)在吊杆更换过程中，对桥面标高及吊杆索力进行了严格控制。根据施工监控结果，吊杆更换前后，桥面标高变化范围为-2.9～0.9 mm，索力变化幅度0.5%～4.4%，各项监控指标均在控制范围以内，吊杆更换前后，桥梁状态基本维持原状。