系桿拱橋連接與約束的優化

張洪祥

(重慶交通大學 土木工程學院 重慶市 400074)

0 引言

系桿拱橋在我國橋梁建設中扮演著重要的角色，其拱肋和系梁采用混凝土或者鋼管混凝土構件構成，其吊桿則采用鋼絞線或者平行鋼絲構成。吊桿受力不均、鋼絞線受到腐蝕等病害日漸突出，甚至是血的教訓，對其結構和更換技術進行研究顯得尤為重要。

系桿拱橋一般是中下承式拱橋，它是由拱肋、橫向連接、吊桿和橋面系組成[1]，對系桿拱橋使用傳統設計方法時，一般依照有關設計和經驗初定參數值，然后進行反復的計算和調整后得到可行性方案，此方案對于橋梁的整體受力和長期外部影響并不是很明確。事實上，一些國內外專家學者就吊桿拱橋的優化設計提出了許多的方法。比如Islam等使用EVOP全局優化的方法優化其拱橋的跨度和拱肋截面[2]。孫傳智認為吊桿張力是影響系桿拱橋成橋的一個重要原因，增大其張力能改善其受力性能[3]。陳淮預測系桿拱橋吊桿的破斷壽命為3～16年，為橋梁設計使用壽命的十分之一，吊桿的更換是橋梁結構優化的必然選擇[4]。

通過查閱文獻對系桿拱橋的受力特性和破損安全性等方面進行總結，獲取信息并闡述安全可靠的分析理論、優化方法及吊桿使用過程中更換優化技術。

1 系桿拱橋的連接與約束

構件連接保證了力在各構件之間的傳遞，并使各構件能夠共同受力、協同變形；約束是限制構件或結構全部或者部分方向自由運動的裝置[5]。橋梁結構的整體性是靠連接與約束共同來組建的。

在橋梁體系當中內部的連接是指各個構件之間相互約束的關系，起著各結構或者構件相互連接的作用。主要有承受拉力的柔索約束、很小摩擦力的光滑面約束等。系桿拱橋各構件連接的材料有混凝土-混凝土、鋼-混凝土、鋼-鋼等等相同材料之間、不同材料之間的連接；系桿拱橋體系當中的連接與約束主要有拱肋與吊桿、吊桿與橫梁、拱肋與梁端錨固等，所有的連接都是組成橋梁的關鍵部分，對于其強度和質量都有極高的要求，對整個橋梁的受力分析與計算也都有重要的作用。在體系連接中可以認為連接的成功就是橋梁的成功。

2 系桿拱橋連接與約束破壞

(1)鋼絲銹蝕與斷裂

鋼絞線的腐蝕是多種多樣的，有應力腐蝕和疲勞腐蝕，但是無論是哪一種都會導致橋梁體系內力發生變化，最終可能導致吊桿斷裂，造成預想不到的后果。由于保護套的老化、開裂等原因容易造成構件內部被水和空氣浸濕，最終導致橋梁吊桿鋼絲銹蝕，極易造成吊桿的受力不均勻。吊桿鋼絲銹蝕乃至斷絲直接影響到了系桿拱橋的安全性，它是吊桿承載能力下降的最根本原因。

(2)吊桿上錨箱內積水

前期的設計考慮不周、施工工藝缺陷以及后期的養護管理和定期檢查不到位等原因很容易導致連接部件或者錨頭密封混凝土失效，讓吊桿的錨箱里雨水浸蝕，長時間的影響很容易對橋梁體系的受力狀態產生不良影響。

(3)吊桿錨頭銹蝕

安裝錨頭結束之后沒有使用如涂黃油、涂防銹油等來進行除銹和防腐的處理；沒有進行錨頭蓋板的設計來阻止雨水的侵入等都容易造成錨頭腐蝕。

無論是哪一種病害都會對橋梁體系造成致命的傷害，所以對系桿拱橋進行優化設計能夠優化受力狀態，實現即使一部分病害出現也能保證橋梁的正常使用。

3 優化設計

3.1 雙吊桿體系

單吊桿與雙吊桿是吊桿體系中不同的構造形式。使用“結構破損安全設計”的想法來進行橋梁的可行性分析，能夠保證短桿在突然斷裂時，讓其余的吊桿依然能夠保證正常的運行，為檢查和更換預留較好的時間[6]。結構疲勞在進行比較過程中，應該使用線性累積損傷理論來展開詳細的論述[7]。雙吊桿即把原單吊桿設置成雙桿形式，兩桿空間距離，桿與拱肋、桿與主梁連接都很近，形成以組合受力的形式。雙吊桿的受力形式相比較于單吊桿要更加均勻，同時也能夠增加其疲勞壽命，可以實現一吊桿發生意外的時候，另一吊桿依然能夠滿足其結構受力和使用功能。

通過采用雙吊桿體系，梁的其中一吊桿在發生破壞的情況下，其他沒有破壞的吊桿依然可以安全的運行，但是在采用單吊桿體系的時候，很容易引起連鎖反應，可能導致全橋的整體破壞，所以采用雙吊桿體系的橋梁安全性能夠顯著的提高，這就說明了當橋梁的連接與約束受到一定外部因素影響時會有更多的安全預留空間，能夠保證橋梁使用壽命的延長和人的通行安全。

3.2 新增吊桿優化

為了加強和提高橋梁的承載能力，讓橋梁在使用過程中能夠更好地服務于當前的交通狀況，采用新增吊桿優化橋梁體系能夠起到較好的效果[8]。由于新增的吊桿對原來的吊桿起到了輔助的作用，能夠讓正在損壞的吊桿所受的力變得比之前的小，橋梁的力能夠得到更加充分的利用。

在使用新增吊桿優化中錨箱和墊板厚度應該增加，根據實際的吊桿錨箱底口斜面的角度情況來進行焊接制作，讓吊桿連接更加緊密。拱肋和錨箱緊密焊接，使用新型高強度鋼板來作為錨具錨墊板，保證局部受力合理。

為了保證新增的吊桿能夠滿足和提高其承載能力，能夠延長其使用壽命并保證整體性的安全，在吊桿下端采用新型卡板與螺母錨固相結合的方法。為了保證所有的螺栓能夠正常持久的工作，增加防銹保護罩且添加黃油，向吊桿內部注入聚胺脂發泡劑阻水防銹等。

采用新增吊桿是對橋梁結構體系增加其連接與約束，能更好地分擔原來的吊桿受力，達到橋梁連接與約束的整體優化的目的，新增加的吊桿錨固受力明確，能夠減少空氣和雨水對吊桿的腐蝕，保證橋梁結構體系受力安全，讓橋梁的安全儲備得到了進一步提高，也能給原來的吊桿預留一定的安全空間，為橋梁吊桿的更換和加固提供可靠的安全儲備。

3.3 吊桿更換優化

系桿拱橋的系桿是橋梁的生命線，在其兩端拱腳的水平力一定要通過它的系桿來抵消，吊桿的更換也一定要遵循橋梁的受力原則，有層次、安全地進行更換，并保證在更換之后橋梁能夠延長其使用的壽命[9]。

在進行吊桿更換過程中進行數值模擬技術是當前工程技術發展的必然趨勢。在更換前期建立有限元模型，分析其各項內力、變形等，在更換過程中在橋梁危險截面和主要部位分布應力及應變控制點并進行實時監控，并與建模計算結果進行對比施工，確保橋梁結構各構件受力、變形在可控和規范的范圍之內。為了防止更換吊桿時產生應力集中，導致局部破壞情況，可使用穿心式千斤頂對原吊桿進行整體松動，然后再對稱有序地依次拔出。橋梁原有連接與約束采用超高壓水刀切割，實現減少各個構件之間的震動影響，達到受力均衡。同時也能夠實現增加施工效率、節約成本、保護環境、安全施工的目的。采用高壓水射流清洗機來對穿孔索道進行管內壁的清洗，能夠快速、高效地進行孔道的清理工作，為后面的吊桿的安裝提供一個可靠的連接孔道。

采用科學化、規范化的更換技術是當前橋梁構件更換的必然之路，它能夠保證橋梁整體的受力性能良好和安全性，能夠減少構件在更換過程中的破損，是橋梁連接與約束在使用過程中優化的重要工作。

4 總結

系桿拱橋在我國的橋梁建設中占了很大的比例，然而系桿拱橋的系桿安全性對整橋的安全性起著至關重要的作用。

通過三種不同優化方式方法來對系桿拱橋的連接與約束進行了綜述。雙吊桿優化能夠較好地分配橋梁結構體系的受力，讓橋梁的受力更加的明確，較于平行單吊桿體系有更好的儲備能力，讓橋梁在受到一定病害時能夠正常的運轉；增加吊桿的優化能夠提供較好的橋梁整體性，增加吊桿之后能夠為老的吊桿提供更多的檢查空間，分擔老吊桿所受的力，讓橋梁更趨于穩定；采用吊桿更換優化方法能夠減少構件相互之間的影響，提高其科學性、規范性和持久性。