纜索支承式拱橋吊桿更換中索力控制技術(shù)分析

李永強(qiáng)

（柳州市市政設(shè)施維護(hù)管理處，廣西 柳州 545005）

拱橋承載力高、剛度大、跨越能力強(qiáng)，是我國(guó)交通系統(tǒng)中較為常見的橋型[1]。吊桿作為中下承式拱橋重要的傳力構(gòu)件，在環(huán)境腐蝕、汽車及人群荷載的反復(fù)作用等因素影響下易發(fā)生損傷、疲勞和松弛甚至斷裂，故其使用壽命十分有限；因此在橋梁設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)對(duì)吊桿進(jìn)行更換已成常態(tài)[2]。拱橋進(jìn)行吊桿更換時(shí)需借助臨時(shí)兜吊來(lái)完成體系轉(zhuǎn)換，施工時(shí)先將原吊桿的索力逐級(jí)放張轉(zhuǎn)移到兜吊受力體系上，然后安裝新吊桿，逐級(jí)張拉新吊桿并逐步釋放兜吊體系上的力；這一過(guò)程中，索力要完成原吊桿—兜吊體系—新吊桿間的轉(zhuǎn)移，只有采用逐級(jí)替換方法才能保證索力的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換和更換作業(yè)時(shí)的施工安全。關(guān)于拱橋吊桿的更換技術(shù)與工藝我國(guó)已進(jìn)行了相關(guān)研究。陳思甜等[3]對(duì)拱橋吊桿的更換過(guò)程進(jìn)行了仿真分析并制定了相應(yīng)的施工控制方法；李世忠等[4]進(jìn)行了中承式拱橋吊桿更換實(shí)例研究，確定了更換吊桿施工流程和各步驟相應(yīng)的控制措施；李正嘉等[5]以某下承式鋼管混凝土系桿拱橋?yàn)槔瑢?duì)比分析了等步長(zhǎng)與不等步長(zhǎng)兩類更換舊吊桿的施工方式，認(rèn)為不等步長(zhǎng)方案更為安全。

已有的研究成果一般圍繞等比例放張方法展開，為尋求更合理安全的索力逐級(jí)放張方法，本文以一座跨徑為192 m的中承式鋼管混凝土桁架拱橋?yàn)楣こ瘫尘埃ㄟ^(guò)有限元計(jì)算軟件對(duì)比等比例放張方法和預(yù)載索力值替換方法，分析兩種方法下拱橋吊桿更換時(shí)短吊桿和最長(zhǎng)吊桿對(duì)施工過(guò)程中吊桿橫梁、臨時(shí)結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形的影響。

1 工程概況

某中承式鋼管混凝土桁架拱橋?yàn)閼益溇€拱軸線，跨徑192 m，矢跨比1/5.016，橋?qū)?2 m（橫橋向布置為0.5 m護(hù)欄+凈11 m橋面+0.5 m護(hù)欄），橋梁設(shè)計(jì)荷載為公路-Ⅱ級(jí)，設(shè)計(jì)速度60 km/h。兩桁拱肋采用4根Q345C鋼管（內(nèi)部填充C50微膨脹混凝土），單桁拱肋為平行四邊形，高2.3 m（上下弦管中心距）、寬1.3 m(左右側(cè)弦管中心距)，弦管外徑φ700 mm，拱腳段弦管及拱頂(6.952 m范圍)上弦管壁厚20 mm，其余拱段弦管壁厚14 mm，拱腳8 m段外包混凝土。拱肋為空腹拱，設(shè)上下平聯(lián)及腹桿，平聯(lián)及腹桿均采用空心鋼管，與弦管焊連成整體。主拱肋上共設(shè)置了5道橫撐，橫撐為鋼管桁架結(jié)構(gòu)，與拱肋固結(jié)。原吊桿為73φ7 mm平行鋼絲吊桿，更換新吊桿采用GJ15-19鋼絞線擠壓吊桿。

目前較為常用的拱橋吊桿更換方案均是先拆除在役吊桿再安裝新吊桿[6]，需要臨時(shí)兜吊體系作為更換過(guò)程中的臨時(shí)受力體系。具體的施工過(guò)程：將原吊桿索力逐級(jí)放張轉(zhuǎn)移到兜吊受力體系上，接著安裝新吊桿，最后逐級(jí)張拉新吊桿并逐步釋放兜吊體系上的索力，交替完成該過(guò)程直至兜吊臨時(shí)吊桿完全卸載，新吊桿達(dá)到設(shè)計(jì)索力，整個(gè)吊桿更換作業(yè)即全部完成。拱橋吊桿更換過(guò)程中要經(jīng)歷兩次體系轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過(guò)程是更換吊桿的關(guān)鍵，不僅關(guān)系著索體更換的施工安全，還影響到后期橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)安全；所以逐級(jí)放張過(guò)程的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換，盡可能地減小索力波動(dòng)，避免吊桿更換過(guò)程對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響，是施工質(zhì)量的關(guān)鍵控制指標(biāo)。

當(dāng)前，拱橋更換吊桿時(shí)較為常用的體系轉(zhuǎn)換方式為等比例放張方法，根據(jù)索力的大小及其對(duì)拱橋結(jié)構(gòu)的影響情況，以等效替換為原則，按照張拉和釋放的索力值及索力比例相等的思路進(jìn)行等比例分級(jí)，同時(shí)分步完成張拉力值替代釋放索力；多數(shù)情況下分級(jí)5～7次即可滿足規(guī)范對(duì)于橋梁橋面線形及梁體應(yīng)力變化影響的要求[7]。預(yù)載索力值替換方法在新舊體系的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，張拉或釋放的索力值比上一分步的力值比例更大；即進(jìn)行預(yù)張拉或預(yù)釋放，分步之間的力值比例并不同步，而是交錯(cuò)進(jìn)行。

2 拱橋吊桿更換索力轉(zhuǎn)移控制分析

為尋求更合理的放張方法，使體系轉(zhuǎn)換對(duì)拱橋造成的影響最低，正式施工前，利用有限元軟件Midas Civil建立結(jié)構(gòu)的三維計(jì)算模型，對(duì)比等比例放張方法（方案一）和預(yù)加載替換方法（方案二），計(jì)算短吊桿和最長(zhǎng)吊桿對(duì)施工過(guò)程中吊桿橫梁、臨時(shí)結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形的影響。

2.1 有限元模型

建立空間有限元計(jì)算模型，拱肋、吊桿橫梁、立柱橫梁及立柱均采用空間梁?jiǎn)卧鯒U采用桁架單元，橋面板采用板單元，防撞護(hù)欄僅計(jì)入重量未考慮剛度。邊界條件：拱腳采用固定約束，吊桿上端與拱肋直接相連，下端采用剛性連接與吊桿橫梁連接，橋面系在伸縮縫處僅約束豎向位移，以保證拱肋外的兩跨結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)支體系。

2.2 計(jì)算參數(shù)及荷載

各構(gòu)件的計(jì)算參數(shù)依設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行選取，原吊桿采用標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 670 MPa高強(qiáng)鋼絲、破斷荷載為4 691.5 kN，新吊桿采用1 860 MPa鋼絞線拉索、破斷荷載為4 940 kN。主拱肋、腹桿和綴板、橫聯(lián)及拱肋間橫梁交接處均采用Q345鋼，彈性模量2.06×105MPa，重度76.98 kN/m3，泊松比0.3。上下弦桿主管及綴板內(nèi)腔填充C50混凝土，彈性模量3.45×104MPa，重度25 kN/m3，泊松比0.2。立柱橫梁、吊桿橫梁及橋面空心板分別采用C40、C30混凝土。橋面系采用8 cm厚鋼筋混凝土+8 cm厚瀝青混凝土的結(jié)構(gòu)形式，橋面鋪裝只計(jì)重量，不考慮剛度影響，其中鋼筋混凝土重度取25 kN/m3，瀝青混凝土重度取23 kN/m3。

計(jì)算荷載包括自重及二期荷載，前者按所用材料重度及構(gòu)件實(shí)際尺寸計(jì)算且計(jì)入吊桿橫梁錨固塊的重量，后者橋面鋪裝按3.54 kN/m2布置。

2.3 吊桿更換工況模擬

分析0#短吊桿和9#最長(zhǎng)吊桿對(duì)施工過(guò)程中吊桿橫梁、臨時(shí)結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形的影響。見表1和圖1。

圖1 更換吊桿模型

表1 吊桿更換施工體系轉(zhuǎn)換索力替換方案

2.4 索力轉(zhuǎn)移控制比較分析

方案一可保證0#吊桿更換前后索力相同且能實(shí)現(xiàn)索力平穩(wěn)過(guò)渡；位于同根吊桿橫梁上的X0吊桿索力在651～666 kN，索力略大于設(shè)計(jì)索力；相鄰右側(cè)吊桿S1索力的變幅稍大，最大值與最小值間相差39 kN，最大變幅5.1%。方案二也能保證0#吊桿更換前后的索力均相同且索力過(guò)渡更加平穩(wěn)；與方案一不同的是，位于同根吊桿橫梁上的X0吊桿索力在646～653 kN，略小于設(shè)計(jì)索力；相鄰右側(cè)吊桿S1索力的變幅較方案一小，最大值與最小值間相差23 kN，最大變幅僅3.0%。見表2和表3。

表2 更換方案一更換0#吊桿過(guò)程中各吊桿的索力kN

表3 更換方案二更換0#吊桿過(guò)程中各吊桿的索力kN

方案一更換9#吊桿后索力略大于更換前，施工過(guò)程中索力的過(guò)渡較為平穩(wěn)；但是，由于先進(jìn)行臨時(shí)吊桿張拉，導(dǎo)致臨時(shí)吊桿與所更換吊桿索力之和大于原設(shè)計(jì)值，相鄰吊桿索力減小，更換過(guò)程中相鄰吊桿的最小索力為798 kN，與更換前的恒載索力864 kN相比，吊桿更換對(duì)相鄰吊桿索力的影響超過(guò)7.6%，干擾較大。方案二更換9#吊桿前后索力變化很小且過(guò)渡較為平穩(wěn)；與方案一相比，更換過(guò)程中相鄰吊桿的最大和最小索力分別為876、852 kN，與更換前的恒載索力864 kN相比，吊桿更換對(duì)相鄰吊桿索力的影響在2%以內(nèi)，干擾很小。見表4和表5。

表4 方案一更換9#吊桿過(guò)程中各吊桿的索力kN

表5 方案二更換9#吊桿過(guò)程中各吊桿的索力kN

續(xù)表5 kN

2.5 變形比較分析

計(jì)算兩種方案下橋面變形。方案一0#吊桿吊點(diǎn)處的橋面位移變化很小，但是9#吊桿吊點(diǎn)處的橋面位移變化很大，當(dāng)進(jìn)行第12個(gè)工況時(shí)，兩處橋面均達(dá)到最大上拱，9#吊桿吊點(diǎn)處最大變形更是超過(guò)8 mm，較不安全；方案二各工況下橋面變形總體呈交替升降變化趨勢(shì)且最大變形不超過(guò)2 mm，有利于橋面板等結(jié)構(gòu)的安全。見圖2。

圖2 更換吊桿過(guò)程中橋面的變形

3 結(jié)語(yǔ)

采用等比例放張方法更換吊桿時(shí)索力的最大變化將超過(guò)7.6%且橋面最大變形達(dá)到8.78 mm；而采用預(yù)載索力值替換方法進(jìn)行吊桿更換時(shí)索力最大變化＜2%，橋面最大變形僅為1.60 mm，預(yù)載索力值替換方法有利于吊桿更換時(shí)索力平穩(wěn)過(guò)渡及橋梁結(jié)構(gòu)和施工安全。

預(yù)載索力值替換方法通過(guò)預(yù)張拉或預(yù)釋放的交錯(cuò)進(jìn)行使次步的替換力值實(shí)際上降到了10%，有效減少了索力波動(dòng)，更能達(dá)到吊桿平穩(wěn)更換的效果，因此該方法在以后的吊桿更換中具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。