缆索支承式拱桥吊杆更换中索力控制技术分析

李永强

（柳州市市政设施维护管理处，广西 柳州 545005）

拱桥承载力高、刚度大、跨越能力强，是我国交通系统中较为常见的桥型[1]。吊杆作为中下承式拱桥重要的传力构件，在环境腐蚀、汽车及人群荷载的反复作用等因素影响下易发生损伤、疲劳和松弛甚至断裂，故其使用寿命十分有限；因此在桥梁设计使用年限内对吊杆进行更换已成常态[2]。拱桥进行吊杆更换时需借助临时兜吊来完成体系转换，施工时先将原吊杆的索力逐级放张转移到兜吊受力体系上，然后安装新吊杆，逐级张拉新吊杆并逐步释放兜吊体系上的力；这一过程中，索力要完成原吊杆—兜吊体系—新吊杆间的转移，只有采用逐级替换方法才能保证索力的平稳转换和更换作业时的施工安全。关于拱桥吊杆的更换技术与工艺我国已进行了相关研究。陈思甜等[3]对拱桥吊杆的更换过程进行了仿真分析并制定了相应的施工控制方法；李世忠等[4]进行了中承式拱桥吊杆更换实例研究，确定了更换吊杆施工流程和各步骤相应的控制措施；李正嘉等[5]以某下承式钢管混凝土系杆拱桥为例，对比分析了等步长与不等步长两类更换旧吊杆的施工方式，认为不等步长方案更为安全。

已有的研究成果一般围绕等比例放张方法展开，为寻求更合理安全的索力逐级放张方法，本文以一座跨径为192 m的中承式钢管混凝土桁架拱桥为工程背景，通过有限元计算软件对比等比例放张方法和预载索力值替换方法，分析两种方法下拱桥吊杆更换时短吊杆和最长吊杆对施工过程中吊杆横梁、临时结构应力与变形的影响。

1 工程概况

某中承式钢管混凝土桁架拱桥为悬链线拱轴线，跨径192 m，矢跨比1/5.016，桥宽12 m（横桥向布置为0.5 m护栏+净11 m桥面+0.5 m护栏），桥梁设计荷载为公路-Ⅱ级，设计速度60 km/h。两桁拱肋采用4根Q345C钢管（内部填充C50微膨胀混凝土），单桁拱肋为平行四边形，高2.3 m（上下弦管中心距）、宽1.3 m(左右侧弦管中心距)，弦管外径φ700 mm，拱脚段弦管及拱顶(6.952 m范围)上弦管壁厚20 mm，其余拱段弦管壁厚14 mm，拱脚8 m段外包混凝土。拱肋为空腹拱，设上下平联及腹杆，平联及腹杆均采用空心钢管，与弦管焊连成整体。主拱肋上共设置了5道横撑，横撑为钢管桁架结构，与拱肋固结。原吊杆为73φ7 mm平行钢丝吊杆，更换新吊杆采用GJ15-19钢绞线挤压吊杆。

目前较为常用的拱桥吊杆更换方案均是先拆除在役吊杆再安装新吊杆[6]，需要临时兜吊体系作为更换过程中的临时受力体系。具体的施工过程：将原吊杆索力逐级放张转移到兜吊受力体系上，接着安装新吊杆，最后逐级张拉新吊杆并逐步释放兜吊体系上的索力，交替完成该过程直至兜吊临时吊杆完全卸载，新吊杆达到设计索力，整个吊杆更换作业即全部完成。拱桥吊杆更换过程中要经历两次体系转换，转换过程是更换吊杆的关键，不仅关系着索体更换的施工安全，还影响到后期桥梁结构的运营安全；所以逐级放张过程的平稳转换，尽可能地减小索力波动，避免吊杆更换过程对桥梁结构的影响，是施工质量的关键控制指标。

当前，拱桥更换吊杆时较为常用的体系转换方式为等比例放张方法，根据索力的大小及其对拱桥结构的影响情况，以等效替换为原则，按照张拉和释放的索力值及索力比例相等的思路进行等比例分级，同时分步完成张拉力值替代释放索力；多数情况下分级5～7次即可满足规范对于桥梁桥面线形及梁体应力变化影响的要求[7]。预载索力值替换方法在新旧体系的转换过程中，张拉或释放的索力值比上一分步的力值比例更大；即进行预张拉或预释放，分步之间的力值比例并不同步，而是交错进行。

2 拱桥吊杆更换索力转移控制分析

为寻求更合理的放张方法，使体系转换对拱桥造成的影响最低，正式施工前，利用有限元软件Midas Civil建立结构的三维计算模型，对比等比例放张方法（方案一）和预加载替换方法（方案二），计算短吊杆和最长吊杆对施工过程中吊杆横梁、临时结构应力与变形的影响。

2.1 有限元模型

建立空间有限元计算模型，拱肋、吊杆横梁、立柱横梁及立柱均采用空间梁单元，吊杆采用桁架单元，桥面板采用板单元，防撞护栏仅计入重量未考虑刚度。边界条件：拱脚采用固定约束，吊杆上端与拱肋直接相连，下端采用刚性连接与吊杆横梁连接，桥面系在伸缩缝处仅约束竖向位移，以保证拱肋外的两跨结构为简支体系。

2.2 计算参数及荷载

各构件的计算参数依设计图纸进行选取，原吊杆采用标准强度为1 670 MPa高强钢丝、破断荷载为4 691.5 kN，新吊杆采用1 860 MPa钢绞线拉索、破断荷载为4 940 kN。主拱肋、腹杆和缀板、横联及拱肋间横梁交接处均采用Q345钢，弹性模量2.06×105MPa，重度76.98 kN/m3，泊松比0.3。上下弦杆主管及缀板内腔填充C50混凝土，弹性模量3.45×104MPa，重度25 kN/m3，泊松比0.2。立柱横梁、吊杆横梁及桥面空心板分别采用C40、C30混凝土。桥面系采用8 cm厚钢筋混凝土+8 cm厚沥青混凝土的结构形式，桥面铺装只计重量，不考虑刚度影响，其中钢筋混凝土重度取25 kN/m3，沥青混凝土重度取23 kN/m3。

计算荷载包括自重及二期荷载，前者按所用材料重度及构件实际尺寸计算且计入吊杆横梁锚固块的重量，后者桥面铺装按3.54 kN/m2布置。

2.3 吊杆更换工况模拟

分析0#短吊杆和9#最长吊杆对施工过程中吊杆横梁、临时结构应力与变形的影响。见表1和图1。

图1 更换吊杆模型

表1 吊杆更换施工体系转换索力替换方案

2.4 索力转移控制比较分析

方案一可保证0#吊杆更换前后索力相同且能实现索力平稳过渡；位于同根吊杆横梁上的X0吊杆索力在651～666 kN，索力略大于设计索力；相邻右侧吊杆S1索力的变幅稍大，最大值与最小值间相差39 kN，最大变幅5.1%。方案二也能保证0#吊杆更换前后的索力均相同且索力过渡更加平稳；与方案一不同的是，位于同根吊杆横梁上的X0吊杆索力在646～653 kN，略小于设计索力；相邻右侧吊杆S1索力的变幅较方案一小，最大值与最小值间相差23 kN，最大变幅仅3.0%。见表2和表3。

表2 更换方案一更换0#吊杆过程中各吊杆的索力kN

表3 更换方案二更换0#吊杆过程中各吊杆的索力kN

方案一更换9#吊杆后索力略大于更换前，施工过程中索力的过渡较为平稳；但是，由于先进行临时吊杆张拉，导致临时吊杆与所更换吊杆索力之和大于原设计值，相邻吊杆索力减小，更换过程中相邻吊杆的最小索力为798 kN，与更换前的恒载索力864 kN相比，吊杆更换对相邻吊杆索力的影响超过7.6%，干扰较大。方案二更换9#吊杆前后索力变化很小且过渡较为平稳；与方案一相比，更换过程中相邻吊杆的最大和最小索力分别为876、852 kN，与更换前的恒载索力864 kN相比，吊杆更换对相邻吊杆索力的影响在2%以内，干扰很小。见表4和表5。

表4 方案一更换9#吊杆过程中各吊杆的索力kN

表5 方案二更换9#吊杆过程中各吊杆的索力kN

续表5 kN

2.5 变形比较分析

计算两种方案下桥面变形。方案一0#吊杆吊点处的桥面位移变化很小，但是9#吊杆吊点处的桥面位移变化很大，当进行第12个工况时，两处桥面均达到最大上拱，9#吊杆吊点处最大变形更是超过8 mm，较不安全；方案二各工况下桥面变形总体呈交替升降变化趋势且最大变形不超过2 mm，有利于桥面板等结构的安全。见图2。

图2 更换吊杆过程中桥面的变形

3 结语

采用等比例放张方法更换吊杆时索力的最大变化将超过7.6%且桥面最大变形达到8.78 mm；而采用预载索力值替换方法进行吊杆更换时索力最大变化＜2%，桥面最大变形仅为1.60 mm，预载索力值替换方法有利于吊杆更换时索力平稳过渡及桥梁结构和施工安全。

预载索力值替换方法通过预张拉或预释放的交错进行使次步的替换力值实际上降到了10%，有效减少了索力波动，更能达到吊杆平稳更换的效果，因此该方法在以后的吊杆更换中具有较大的推广应用价值。