飛燕式系桿拱橋的系桿更換方案探討

李宇 彭世恩 林桂萍

摘要：以一座主跨202 m的飛燕式系桿拱橋為研究對象，對該橋的系桿更換措施提出了幾種方案，比較其優缺點，確定了最優的設計方案，對系桿拱橋的系桿更換設計和施工有一定的參考價值。

[作者簡介]李宇（1973—），男，碩士，高級工程師，主要從事公路工程設計與管理。

系桿拱橋是由拱、系桿、吊桿和橋面系梁板等協同工作的組合結構體系，以系桿（或系梁）承受拱腳的水平推力為主要特征大跨度橋梁形式。由于其橋梁形式優美，經濟性較好，所以20世紀90年代得到了快速發展和廣泛應用。對于初期建設的大跨系桿拱橋，系桿作為永久性結構構件，一般采用系桿箱內填塞瀝青麻絮和黃油等防腐后外包混凝土結構形式，大多未考慮到后期系桿受力檢測和更換需要。在后期橋梁運營過程中，由于系桿自身防護不足引起索體出現不同程度的損傷和破壞現象時有發生，同時根據現行規范JTG D60—2015《公路橋涵設計通用規范》1.0.4條中，將橋梁斜拉索、吊桿、系桿等的設計使用年限規定為20年，系桿在出現病害或達到使用年限后需更換系桿或對系桿補強，以保證橋梁結構運營安全。

1 工程概況

該橋主橋為飛燕式無推力中承式鋼管混凝土系桿拱橋，其主孔跨布置為（46+202+46） m，全橋總長544.7 m。橋面布置為4×3.75 m（行車道）+2×3.0 m（非機動車道及人行道），主橋寬26.2 m，引橋寬22.5 m。設計荷載標準：汽-20級，掛-100，于1998年建成通車。橋梁現狀照片如圖1所示。

2015年對該橋進行了全面的適應性評定檢測，在對系桿箱開箱檢查中發現系桿銹蝕、一根鋼絞線斷裂等病害，此病害威脅到橋梁結構安全運營，考慮到橋梁系桿已達到20年的設計年限，橋梁將面臨拆除重建及系桿更換兩難選擇，經綜合評估，最終選擇系桿更換作為論證方向。

2 更換系桿方案設計

原系桿（16對18根高強低松弛鋼絞線）錨固在邊拱肋上，錨固長度達16.8 m，系永久性構件，采用的原系桿錨固段布置及系桿橫斷面如圖2、圖3所示。

針對本橋現狀，結合計算分析，并充分討論，對系桿更換提出了3種方案：

（1）方案一：在系桿拱腳位置增設臨時系桿將拱腳水平力轉換，切除錨箱內系桿，將其更換為成品的鋼絞線，保留原錨固段系桿，將錨箱內新系桿與錨固段舊系桿連接后再進行張拉，最后將水平力轉移到新增系桿上。本方案新舊系桿的連接和張拉施工較復雜，而且在新舊系桿連接部位鋼絞線受力較為薄弱，影響后期結構受力，存在一定風險（圖4）。

（2）方案二：廢棄原位于橋面以下的系桿及錨固系統，在原系桿錨固位置上方增設錨塊，通過植筋與原錨固結合，在原系桿對應的橋面上方新設系桿，逐根張拉新系桿、逐根解除原系桿。本方案錨固段存在新舊混凝土結合面，受力狀態復雜，新系桿調整到原系桿上方，和原系桿受力比較，拉力上移，原邊跨產生附加彎矩，需設置拉壓支座或配重予以克服（圖5）。

（3）方案三：通過在拱腳增設臨時系桿，逐根張拉、逐根解除原系桿，將水平力轉換到臨時系桿。對錨固段全部拆除重建，將原系桿全部原位更換為成品鋼束。逐根張拉新系桿、逐根解除臨時系桿，完成受力體系第二次轉換。更換系桿的主要步驟包括：①搭設邊拱段的臨時支撐，吊離相鄰跨空心板為后續工作騰出工作面;②在拱腳增設臨時系桿，將原系桿逐根切斷，將原系桿拉力有序轉換至臨時系桿上;③待原系桿力全部轉換至臨時系桿后，拆除主橋邊跨行車道板及原系桿錨固段，設置新系桿的預埋鋼管和錨具，整體現澆恢復錨固段及邊跨行車道板;④逐步將本次新增成品系桿通過張拉替換臨時系桿，達到最終成橋狀態（圖6）。

3種方案的優缺點比較如表1所示。

經過業主和專家組等多方論證后，最終確定采用了方案三作為實施方案。此方案實施后能夠延長此橋梁安全運營壽命20年以上，比拆除重建方案節約投資近2.0億元。

采用方案三作為推薦方案：拆除原錨固段邊跨重新澆筑為整體的空心箱梁，錨固點水平分布于梁體端部，在邊拱端部位置增設錨塊，便于臨時系桿錨固和張拉，新系桿（10對31根高強低松弛鋼絞線）采用31孔可換索式系桿錨具，每根系桿錨頭處設置一套壓力傳感器，跨中設置一套磁通量傳感器，便于后期監控索力變化（圖7、圖8）。

3 推薦方案的結構驗算

本橋加固設計總體計算采用橋梁結構分析軟件MIDAS/Civil，模型離散見圖9所示。

3.1 主拱承載能力驗算

經過計算，該橋加固后，主拱拱圈承載能力滿足JTG/T D65-06-2015《公路鋼管混凝土拱橋設計規范》要求，計算結果如表2、表3所示。

3.2 吊桿驗算

此次加固完成后，在持久狀況和短暫狀況下的吊桿索力的最大值為Nmax=1806 kN，吊索的承載能力N=fpkAs=1860×2660/1000=4947.6 kN，N/Nmax=2.7>γs=2.5。

故吊桿索承載能力滿足規范要求。

3.3 新系桿驗算

此次加固完成后，在持久狀況和短暫狀況下的新系桿索力的最大值為Nmax=3461 kN，系桿索的承載能力N=fpkAs=1860×4340/1000=8072.4 kN，N/Nmax=2.3>γs=2.0。

故新系桿索承載能力滿足規范要求。

3.4 臨時系桿驗算

加固過程中，臨時系桿索的最大拉力為為Nmax=1859 kN，系桿索的承載能力N=fpkAs=1860×2100/1000=3906 kN，N/Nmax=2.1>γs=1.8。

故臨時系桿承載能力滿足規范要求。

3.5 臨時錨固塊驗算

臨時錨固塊主要驗算抗剪截面（見圖10中粗線）承載力是否滿足要求。通過計算，臨時錨固塊的抗剪承載力的安全系數為1.43，滿足施工要求（表4）。

通過計算可知，本橋維修加固后結構受力滿足相關規范要求。該橋經過約7個月施工，在參建各單位的共同努力下，順利完成該橋的系桿更換和其他病害整治工作，從檢測結果及運行情況看，橋梁狀態良好，到達了設計目的，取得了良好的經濟效益及社會效益。

4 結 論

（1）對該橋中承式鋼管混凝土拱橋系桿更換方案提出了3種方案，有效探索此類橋梁系桿后期更換實踐的難題。

（2）在對系桿更換的方案比選中，需綜合考慮結構安全和環境景觀等問題，盡量做到技術先進、安全可靠、耐久適用和經濟合理。

（3）對于系桿這種原設計更換考慮不充分構件，在更換設計中需滿足后期可到達、可檢查、可維修和可更換的要求。

（4）本文最終采用的原位更換系桿方案屬同類橋梁首次采用，雖面臨無成功經驗借鑒、施工難度較大等困難，但在足夠基礎資料支撐下，通過充分分析論證、精細設計、精心組織施工，最終達到了良好的效果。該橋系桿更換方案對廣大橋梁設計人員和施工人員具有參考價值。

參考文獻

[1] 彭世恩，曹火勇，郝天之.系桿有效力對系桿拱橋的敏感性分析[J].西部交通科技，2020（1）： 70-73.

[2] 公路鋼管混凝土拱橋設計規范： JTG/T D65-06-2015[S].