基于差值法的系桿拱橋更換吊桿方案優(yōu)化研究

李浩師，黃平明，王 濤，蔡昌偉，張燎原

(長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064 )

系桿拱橋造型優(yōu)美，結(jié)構(gòu)新穎，兼顧梁橋和拱橋的受力特性，是典型的三元結(jié)構(gòu)體系[1]，由梁體、吊桿及拱肋組成。吊桿作為中、下承式系桿拱橋的主要傳力構(gòu)件[2]，其安全性、適用性和耐久性關(guān)系到整個(gè)橋梁的安全運(yùn)營(yíng)。由于其計(jì)算理論、構(gòu)造設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)管理等方面的不足，吊桿很容易出現(xiàn)錨具銹蝕、吊桿鋼筋疲勞等病害[3-5]，最有效的解決措施是更換吊桿。

目前國(guó)內(nèi)更換吊桿主要采用臨時(shí)支架法[6-7]、臨時(shí)兜吊法[8-9]和臨時(shí)吊桿法[10-11]等。臨時(shí)吊桿法通過(guò)分級(jí)張拉臨時(shí)吊桿和分批切斷舊吊桿鋼絲將吊桿力轉(zhuǎn)移到臨時(shí)吊桿，再通過(guò)分級(jí)張拉新吊桿和分級(jí)卸載臨時(shí)吊桿，將臨時(shí)吊桿力轉(zhuǎn)移到新吊桿。一般多采用等步長(zhǎng)替代[12]的方法進(jìn)行更換，但是并沒(méi)有考慮到舊吊桿的卸載和新吊桿的張拉，橋面線形的變化及是否需要二次調(diào)索等。本文基于此，以某中承式系桿拱橋主橋更換吊桿為例，提出采用臨時(shí)吊桿法，在傳統(tǒng)的等步長(zhǎng)更換基礎(chǔ)上，運(yùn)用差值法進(jìn)行吊桿梯度張拉更換，以?xún)?yōu)化系桿拱橋更換吊桿的張拉方案。

1 工程背景

一中承式系桿拱橋于1994年建成通車(chē)。主橋上部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土平行拱肋系桿拱，拱肋中心間距19.68 m，計(jì)算跨徑80 m，矢跨比1/5。拱軸線為二次拋物線，拱肋采用內(nèi)八角形箱形截面，共設(shè)5道一字型橫撐。縱梁采用55 cm×130 cm的矩形截面形式，橫梁采用120 cm×160 cm的矩形空心截面。全橋共設(shè)13對(duì)吊桿，吊桿中心間距5.08 m，舊吊桿由90根φ7鍍鋅鋼絲組成，新吊桿采用PE護(hù)套鋼絞線，吊桿外徑140 mm，PE護(hù)套厚度13 mm，由37束鋼絞線組成。主橋橋跨布置如圖1所示。

圖1 主橋橋跨布置(單位：cm)

經(jīng)過(guò)20余年的運(yùn)營(yíng)和雨水剝蝕，全橋吊桿錨頭大部分存在嚴(yán)重銹蝕病害，錨頭內(nèi)外露鋼絲銹蝕嚴(yán)重；吊桿鋼護(hù)筒破損；吊桿表面掉漆銹蝕，短吊桿基本被埋在泥土中。為了橋梁結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)，需要對(duì)主橋進(jìn)行吊桿更換。

2 吊桿更換方法

本橋吊桿更換采用臨時(shí)吊桿法，在拱肋吊桿位置前后分別澆筑三角形混凝土墊塊，架設(shè)上鋼橫梁，打穿橋面板相應(yīng)位置，對(duì)應(yīng)橫梁底部架設(shè)2道下鋼橫梁，每根吊桿處安裝4根臨時(shí)吊桿，形成臨時(shí)吊桿工作系統(tǒng)。

采用臨時(shí)吊桿法更換吊桿，需要2次體系轉(zhuǎn)換，首先切斷舊吊桿，通過(guò)分級(jí)張拉臨時(shí)吊桿和切斷舊吊桿鋼絲交替進(jìn)行，共分5級(jí)張拉，劃分10個(gè)工況，完成第1次體系轉(zhuǎn)換。切斷舊吊桿，鑿除錨頭、清孔，安裝新吊桿，開(kāi)始張拉新吊桿，同理分級(jí)張拉新吊桿和卸載臨時(shí)吊桿交替進(jìn)行，完成第2次體系轉(zhuǎn)換。

對(duì)于張拉方案，提出等步長(zhǎng)和差值法2種方案，其中等步長(zhǎng)方案按照30%，30%，20%，10%，10%的梯度進(jìn)行5級(jí)張拉和卸載，每級(jí)張拉力值比例和卸載力值比例相同。而差值法在保持張拉比例不變的情況下，改變卸載比例。為降低控制風(fēng)險(xiǎn)，第一級(jí)卸載比例仍然保持為30%，為防止橋面抬升過(guò)多，在張拉過(guò)程加大卸載比例，第二級(jí)卸載比例由30%加大為35%，同時(shí)為了防止梁體下降太多，第三級(jí)卸載比例保持20%不變，第四級(jí)卸載比例減小為8%，第五級(jí)減小為7%。切斷舊吊桿時(shí)，按照30%,30%,20%,10%,10%的梯度張拉臨時(shí)吊桿，按照30%,35%,20%,8%,7%的比例切斷舊吊桿鋼絲。張拉新吊桿時(shí)，按照30%,30%,20%,10%,10%的梯度張拉新吊桿，按照30%,35%,20%,8%,7%的比例卸載臨時(shí)吊桿索力。詳細(xì)張拉方案如表1、表2所示。

表1 臨時(shí)吊桿梯度張拉方案

表2 新吊桿梯度張拉方案

吊桿更換采用從中間向兩邊的順序逐次更換，即7#-6#-8#-5#-9#-4#-10#-3#-11#-2#-12#-1#-13#，每次僅更換上下游編號(hào)相同的一對(duì)吊桿，以降低控制風(fēng)險(xiǎn)。在整個(gè)更換過(guò)程中，進(jìn)行索力和線形雙控，要求吊桿索力與設(shè)計(jì)值相差10%以?xún)?nèi)，線形與設(shè)計(jì)值相差控制在10 mm 以?xún)?nèi)。

3 更換吊桿

3.1 切斷舊吊桿

吊桿更換采用從中間向兩邊的順序逐根進(jìn)行，對(duì)7#,6#吊桿進(jìn)行試驗(yàn)性更換。首先切斷7#舊吊桿采用方案1的等步長(zhǎng)方法，張拉臨時(shí)吊桿和切斷舊吊桿鋼絲交替進(jìn)行，詳細(xì)張拉梯度和工況劃分參見(jiàn)表1。

舊吊桿切斷過(guò)程，每一級(jí)張拉，精確測(cè)量張拉吊桿和相鄰吊桿的索力及線形，至7#臨時(shí)吊桿張拉完畢，其各吊桿處標(biāo)高變化量如圖2(a)所示。橋面整體升高，7#吊桿處橋面抬升最多，為3.66 mm，6#，8#吊桿處橋面分別抬升2.04，2.13 mm。相鄰吊桿索力均減小，如圖2(b)所示。

圖2 張拉7#，6#臨時(shí)吊桿時(shí)各吊桿處標(biāo)高及索力變化量

從圖2測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)看，張拉臨時(shí)吊桿過(guò)程中，舊吊桿沒(méi)有及時(shí)放張，雖然切斷相同比例的鋼絲根數(shù)，但是舊吊桿索力并沒(méi)有卸載到相應(yīng)比例。7#舊吊桿索力與臨時(shí)吊桿索力之和大于7#吊桿初始索力，7#吊桿處橋面升高。同時(shí)造成橋面整體升高，使得相鄰吊桿索力均減小，橋面抬高。

雖然切斷7#舊吊桿，全橋索力和線形變化均在控制范圍之內(nèi)，但是如果繼續(xù)按照該方案進(jìn)行吊桿更換，會(huì)出現(xiàn)疊加效應(yīng)，橋面繼續(xù)升高，不利于施工控制。基于此，改變張拉梯度，對(duì)6#臨時(shí)吊桿張拉采用差值法按照方案2進(jìn)行臨時(shí)吊桿的張拉，詳細(xì)張拉梯度和工況劃分參見(jiàn)表1。

至6#臨時(shí)吊桿張拉完畢，各吊桿處標(biāo)高變化量見(jiàn)圖2(a)，雖然橋面仍然稍有升高，但是變化量非常小，標(biāo)高最大值6#吊桿處升高1.81 mm，最小值8#吊桿處升高1.12 mm。而吊桿索力變化量也減小，尤其4#吊桿索力變化量?jī)H為22 kN，見(jiàn)圖2(b)。

圖3 舊吊桿力卸載比例

張拉7#和6#臨時(shí)吊桿過(guò)程中，比較舊吊桿每一級(jí)的卸載比例，見(jiàn)圖3。7#臨時(shí)吊桿張拉方案下，卸載比例與設(shè)計(jì)卸載比例有較大差值。而6#臨時(shí)吊桿采用差值法進(jìn)行張拉，從第二級(jí)開(kāi)始，其卸載比例加大，接近設(shè)計(jì)卸載比例，不僅6#舊吊桿索力及時(shí)卸載，而且各吊桿處線形變化量均很小，運(yùn)用差值法張拉臨時(shí)吊桿有較好的效果。

3.2 張拉新吊桿

臨時(shí)吊桿張拉完畢，鑿除錨頭、清孔，安裝新吊桿，交替分級(jí)張拉新吊桿和卸載臨時(shí)吊桿。其中7#新吊桿采用等步長(zhǎng)的方法按照方案3進(jìn)行張拉，6#新吊桿采用差值法按照方案4進(jìn)行張拉，詳細(xì)張拉梯度和工況劃分參見(jiàn)表2。

新吊桿張拉完畢，比較2種張拉方案在張拉過(guò)程中各吊桿處標(biāo)高增量，如圖4(a)所示。可以看出，通過(guò)方案3張拉7#新吊桿，張拉吊桿和相鄰吊桿處均升高，7#吊桿處升高1.9 mm，其他吊桿升高也超過(guò)1 mm。而采用方案4張拉6#新吊桿，至張拉完畢，標(biāo)高最大值6#吊桿處僅升高0.87 mm，其他相鄰吊桿處基本小于0.5 mm。方案4的線形變化量明顯小于方案3線形變化量，有利于維持橋面線形平順，降低控制風(fēng)險(xiǎn)，便于進(jìn)行施工控制。

按照方案3和方案4張拉新吊桿后，相鄰吊桿的索力變化量如圖4(b)所示。可以看出，采用方案3張拉完畢后，除了7#新吊桿張拉到位，相鄰吊桿索力均增大，其中8#吊桿索力增大最多，增大199 kN， 6#吊桿索力增加178 kN。而采用方案4張拉6#新吊桿，至張拉完畢，相鄰吊桿索力雖然也有增大趨勢(shì)，但是變化量明顯小于方案3。可以看出，采用方案4不僅新吊桿索力張拉到位，而且對(duì)相鄰吊桿影響較小。

圖4 張拉7#，6#新吊桿時(shí)各吊桿處標(biāo)高及索力變化量

分級(jí)張拉新吊桿，比較每一級(jí)新吊桿力的增長(zhǎng)比例，如圖5所示。與設(shè)計(jì)張拉力的增長(zhǎng)梯度比較，張拉7#新吊桿，其增長(zhǎng)速度大于設(shè)計(jì)增長(zhǎng)速度，而采用差值法張拉6#新吊桿，其增長(zhǎng)速度低于7#新吊桿，與設(shè)計(jì)增長(zhǎng)梯度較為接近。運(yùn)用差值法張拉新吊桿有較好的效果。

圖5 新吊桿力增長(zhǎng)比例

3.3 全橋吊桿更換

全橋吊桿更換完畢，索力與初始值比較，如表3所示，相差均在10%以?xún)?nèi)。4#吊桿相差最大，為8.35%，7#吊桿按照等步長(zhǎng)的方法進(jìn)行更換，為7.35%，其他吊桿大多數(shù)索力相差在5%以?xún)?nèi)。

表3 全橋吊桿索力與初始值比較 %

橋梁線形與更換吊桿前比較，見(jiàn)圖6。可知，7#吊桿處升高5.23 mm ，6#吊桿處升高5.04 mm，其他吊桿處變化量均在5 mm以?xún)?nèi)，小于限值10 mm。全橋橋面處于抬升狀態(tài)，從橋梁運(yùn)行角度考慮良好。

圖6 全橋線形變化量

綜合考慮全橋索力和線形，變化量均很小，完全滿足要求，無(wú)需進(jìn)行二次調(diào)索。

4 結(jié)語(yǔ)

1)全橋共13對(duì)吊桿，從中間向兩側(cè)逐根進(jìn)行更換，7#吊桿采用等步長(zhǎng)的方法梯度更換，其余吊桿全部采用差值法梯度更換。至更換完畢，全橋吊桿索力變化較小，線形變化平順，均符合要求，無(wú)需進(jìn)行二次調(diào)索。

2)吊桿更換過(guò)程中，會(huì)對(duì)相鄰吊桿索力和標(biāo)高產(chǎn)生影響，切斷舊吊桿方案2優(yōu)于方案1，張拉新吊桿方案4優(yōu)于方案3，即差值法更換吊桿優(yōu)于等步長(zhǎng)更換吊桿。

3)采用差值法張拉臨時(shí)吊桿可有效解決舊吊桿力卸載不足的問(wèn)題，減小橋面線形變化量；采用差值法張拉新吊桿，可使得新吊桿力每級(jí)接近設(shè)計(jì)值的大小，減小對(duì)相鄰吊桿索力的影響，減小橋面線形變化量。

4)更換吊桿時(shí)橋面線形和吊桿索力均會(huì)發(fā)生變化，建議更換吊桿時(shí)選取合適的差值比例進(jìn)行梯度張拉，以減小線形和索力的變化量，避免二次調(diào)索。