不中斷交通情況下拱橋更換吊桿施工工序優(yōu)化研究

蘇小妹, 許紅勝, 顏東煌

(1.湖南投資集團(tuán)股份有限公司繞城公路西南段分公司，湖南 長(zhǎng)沙 410100；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué))

中、下承式拱橋作為中國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)置建設(shè)中常用的橋型結(jié)構(gòu)，已建成投入運(yùn)營(yíng)的已超過400余座。吊桿作為中、下承式拱橋最重要的傳力構(gòu)件之一，對(duì)橋梁的運(yùn)營(yíng)安全具有重要的影響。近年來，吊桿鋼絲銹蝕引發(fā)的已建成拱橋進(jìn)行吊桿更換的案例日漸增多；截至2018年8月，中國(guó)已有29座中、下承式拱橋進(jìn)行了涉及吊桿更換的維修加固工作。更換吊桿的施工中，由于牽涉到體系轉(zhuǎn)換的過程，原則上施工中需要進(jìn)行交通封閉；但中、下承式拱橋一般都是城市及其周邊干道的咽喉性工程，交通封閉的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)代價(jià)較大；因此，如何在不中斷交通的情況下，安全高效地進(jìn)行吊桿的更換施工是人們關(guān)注的焦點(diǎn)問題。

該文結(jié)合長(zhǎng)沙黑石鋪湘江大橋維修加固工程吊桿試驗(yàn)性更換項(xiàng)目，利用有限元仿真分析方法，進(jìn)行不中斷交通情況下，不同施工工藝的合理性比較，以確定適用的施工工藝，并優(yōu)化更換吊桿的施工工序。

1 背景工程

長(zhǎng)沙黑石鋪湘江大橋主橋主孔為三跨中承式鋼管混凝土拱，邊跨凈跨徑144 m，凈矢高32 m，凈矢跨比為1/4.5，中孔凈跨徑162 m，凈矢高40.5 m，凈矢跨比1/4.0，拱肋布置為雙主肋，采用桁架式雙啞鈴狀鋼管混凝土拱肋形式。吊桿采用強(qiáng)度1 670 MPa的109 絲φ7鍍鋅平行鋼絲成品索。

2016年，針對(duì)黑石鋪湘江大橋的檢測(cè)顯示吊桿存在錨頭嚴(yán)重銹蝕、吊桿PE護(hù)套表面裂紋較多的病害。為判斷吊桿內(nèi)部損傷情況，2017年的大橋維修加固工程中包含了更換2號(hào)拱肋上游1號(hào)短吊桿和下游10號(hào)長(zhǎng)吊桿的吊桿試驗(yàn)性更換項(xiàng)目。

考慮到目前黑石鋪湘江大橋是連接G4高速公路與G5513高速公路間重要快速通道的咽喉性工程，交通全封閉對(duì)長(zhǎng)沙市周邊貨運(yùn)快速過境通行能力有明顯影響，因此黑石鋪湘江大橋更換吊桿施工時(shí)僅采取雙向各自封閉應(yīng)急車道的交通管制措施。

2 施工工藝優(yōu)選

2.1 常用施工工藝

中、下承式拱橋進(jìn)行舊吊桿更換的索力置換方案很多，大體上分為兩種施工工藝：一種是臨時(shí)吊桿兜吊法(以下稱為工藝1)；另一種是鋼桁梁兜吊法(以下稱為工藝2)。

如圖1所示，臨時(shí)吊桿兜吊法是在待更換吊桿的旁邊直接設(shè)置體系轉(zhuǎn)換用的臨時(shí)吊桿，利用拱肋對(duì)臨時(shí)吊桿進(jìn)行張拉，實(shí)現(xiàn)舊吊桿的索力卸除。

圖1 臨時(shí)吊桿兜吊法結(jié)構(gòu)示意圖

如圖2所示，鋼桁梁兜吊法是在待更換吊桿側(cè)面設(shè)置跨越兩個(gè)吊桿索距、剛度較大的鋼桁梁，將鋼桁梁作為反力梁，通過張拉短臨時(shí)拉桿，將舊吊桿的索力轉(zhuǎn)移到相鄰吊桿上，從而實(shí)現(xiàn)舊吊桿索力的卸除。

圖2 鋼桁梁兜吊法結(jié)構(gòu)示意圖

兩種吊桿更換工藝優(yōu)缺點(diǎn)比較見表1。

表1 兩種更換吊桿施工工藝優(yōu)缺點(diǎn)比較

2.2 分析模型說明

為評(píng)估不中斷交通情況下，車輛運(yùn)行對(duì)施工工藝的影響，針對(duì)黑石鋪湘江大橋主橋三跨中承式鋼管拱橋，利用空間梁?jiǎn)卧涂臻g索單元，按照竣工圖的橋梁結(jié)構(gòu)布置，利用Midas/Civil橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件建立空間有限元分析模型。

利用JTG D60-2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》 中55 t車輛荷載進(jìn)行加載，將荷載形式簡(jiǎn)化為圖3中數(shù)值模型。

利用彈性時(shí)程分析方法進(jìn)行車輛振動(dòng)影響研究，時(shí)程分析的時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為Δt=0.05 s，采用如圖4所示三角形荷載加載函數(shù)模型。

圖3 55 t車輛荷載簡(jiǎn)化模型(尺寸單位：m)

圖4 時(shí)程分析加載函數(shù)模型

考慮加載車輛以60、80 km/h的速度通過第二孔橋跨時(shí)，對(duì)兩種施工工藝下的車輛振動(dòng)影響進(jìn)行分析。

2.3 通行車輛影響分析

臨時(shí)吊桿兜吊法和鋼桁梁兜吊法施工工藝的主要臨時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如表2所示。

在不影響施工作業(yè)面的情況下，通行車輛對(duì)吊桿更換施工的影響主要體現(xiàn)在導(dǎo)致張拉索力和橋面標(biāo)高

表2 兩種更換吊桿施工工藝臨時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況

的變化。表3為加載車輛在更換吊索一側(cè)通行時(shí)，兩種施工工藝在所更換吊桿處的位移時(shí)程和索力時(shí)程分析結(jié)果對(duì)比情況。

表3 加載車輛通行對(duì)更換吊桿處的位移時(shí)程、索力時(shí)程影響分析結(jié)果

從表3可以看出:① 在兩種不同施工工藝條件下，加載車輛通行產(chǎn)生的位移時(shí)程峰值有明顯差異，其中工藝1的位移時(shí)程峰值明顯小于工藝2；② 所更換吊桿處的索力變化穩(wěn)定時(shí)長(zhǎng)要明顯小于動(dòng)位移穩(wěn)定時(shí)長(zhǎng)，因此在車輛通行情況下，相比于位移測(cè)試數(shù)據(jù)，索力測(cè)試數(shù)據(jù)的可靠性可能更高。

2.4 施工工藝優(yōu)選

拱橋更換吊索的維修加固設(shè)計(jì)中，一般要求新吊桿與舊吊桿的索力保持一致，同時(shí)要求更換吊桿施工不能引起橋面線形的明顯變化。不中斷交通情況下，車輛通行引起的橋面線形測(cè)試誤差，會(huì)導(dǎo)致體系轉(zhuǎn)換過程中的橋面線形控制出現(xiàn)偏差。在這種情況下，如果可以利用相對(duì)可靠的索力測(cè)試結(jié)果推測(cè)線形測(cè)試數(shù)據(jù)的合理性，則能有效提高施工控制的可靠性。

表4為不考慮車輛通行影響情況下，兩種施工工藝在臨時(shí)吊桿與永久吊桿總和索力增量與橋面線形變化結(jié)果對(duì)比情況。

表4 總和索力增量與橋面標(biāo)高變化分析結(jié)果

從表4可以看出：工藝1的總和索力增量與更換吊桿處橋面標(biāo)高變化具有較好的相關(guān)性，且相鄰吊桿處橋面標(biāo)高變化相對(duì)不敏感；而工藝2的總和索力增量與更換吊桿處橋面標(biāo)高變化的相關(guān)性一般，而相鄰吊桿處橋面標(biāo)高變化也具有一定干擾；從以上數(shù)據(jù)分析可以看出，工藝1更利于在不中斷交通情況下判斷橋面標(biāo)高測(cè)試數(shù)據(jù)的合理性。

綜上所述，在長(zhǎng)沙黑石鋪湘江大橋主橋主孔試驗(yàn)性更換吊桿項(xiàng)目中，在僅封閉應(yīng)急車道、不中斷交通的情況下，采用了臨時(shí)吊桿兜吊法進(jìn)行施工。

3 施工工序細(xì)化

拱橋更換吊桿施工中，牽涉到舊吊桿拆除和新吊桿安裝兩次體系轉(zhuǎn)換過程，要滿足設(shè)計(jì)文件中索力等代替換并不允許橋面線形發(fā)生明顯變化的要求，就需要進(jìn)行有效的施工監(jiān)控。由于不能完全中斷交通，針對(duì)準(zhǔn)確測(cè)定舊吊桿索力和新吊桿終張索力的需要，有必要采取臨時(shí)交通封閉的措施，以保證吊桿更換施工的設(shè)計(jì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

結(jié)合背景工程試驗(yàn)性吊桿更換項(xiàng)目具體施工工序的實(shí)施，給出舊吊桿拆除和新吊桿安裝階段的細(xì)化施工工序組織圖(圖5)。

(a)舊吊桿拆除

(b)新吊桿安裝

圖5 舊吊桿拆除細(xì)化、新吊桿安裝細(xì)化施工工序組織圖

4 結(jié)語

依托長(zhǎng)沙黑石鋪湘江大橋主橋主孔中承式鋼管混凝土拱橋試驗(yàn)性更換吊桿項(xiàng)目，分析了不中斷交通情況下，臨時(shí)吊桿兜吊法和鋼桁梁兜吊法兩種吊桿更換施工工藝的適用性，并結(jié)合施工監(jiān)控的工作內(nèi)容細(xì)化了吊桿更換施工工序組織設(shè)計(jì)。