采用外套鋼管保護(hù)的系桿拱橋吊桿更換技術(shù)研究

朱 軍，曹文斌，朱利明，易晨陽

（1.無錫市市政設(shè)施建設(shè)工程有限公司，江蘇 無錫 214000；2.南京工業(yè)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，江蘇 南京 210009）

0 引言

下承式混凝土系桿拱橋不但擁有一般拱橋剛度大、造型優(yōu)美的優(yōu)點(diǎn)，相較于上承式拱橋，還擁有建筑高度低、矢跨比調(diào)整空間大的優(yōu)點(diǎn)，在中等跨徑的市政橋梁中有較多應(yīng)用。吊桿作為拱肋與系桿之間的傳力構(gòu)件，是系桿拱橋的重要組成部分。然而，根據(jù)資料顯示，早期建造的一些系桿拱橋吊桿存在不同程度的病害[1，2]。其中，最為常見的是吊桿兩端密封裝置失效、錨固端混凝土出現(xiàn)裂縫、防護(hù)套管破損及吊桿內(nèi)部鋼絲疲勞破壞。若對(duì)上述病害進(jìn)行維修，需要解除吊桿錨固，對(duì)吊桿進(jìn)行更換。目前主要的換索方法有臨時(shí)吊桿法、臨時(shí)兜吊法、臨時(shí)支撐法和直接更換法等[3-5]。

關(guān)于系桿拱橋吊桿更換施工技術(shù)方面的研究較多。張武等[6]通過模擬試驗(yàn)的方法對(duì)新吊桿結(jié)構(gòu)型式、臨時(shí)吊桿體系對(duì)比等方面進(jìn)行了研究。康孝先等[7]依托某系桿拱橋換索施工研究了系桿更換過程中的保護(hù)性混凝土切除、拔索和清孔等關(guān)鍵技術(shù)。李正嘉等[8]采用數(shù)值模擬的手段研究了系桿拱橋吊桿更換過程中吊桿張拉步長。丁毅等[9]從吊桿更換設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)控等方面對(duì)三拱肋無風(fēng)撐系桿拱橋吊桿更換技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。上述研究大多集中于采用臨時(shí)支承的施工方法，而直接更換法研究較少。

本文在對(duì)比多種更換吊桿施工方法的基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮本工程橋梁吊桿外套鋼管的情況，制定該橋的吊桿更換方案，并利用有限元進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證；建立施工監(jiān)控體系，對(duì)施工過程中橋梁的應(yīng)力變化、變形進(jìn)行監(jiān)控，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以驗(yàn)證理論控制安全。

1 工程概況

本文研究對(duì)象為某一跨80 m 下承式系桿拱橋。該橋采用左右幅分離式布置，橋梁結(jié)構(gòu)立面如圖1 所示。每幅橋每側(cè)設(shè)置16 根吊桿，全橋共64 根吊桿，吊桿間距均為4.0 m，吊桿采用外徑219 mm、壁厚14 mm的無縫鋼管作為外套管，內(nèi)穿成品索，索體抗拉極限強(qiáng)度1 670 MPa，拉索斷面圖如圖2 所示。根據(jù)定期檢測(cè)報(bào)告，錨頭的主要病害為上錨頭封錨混凝土開裂、下錨頭積水和銹蝕。其中，下錨頭積水現(xiàn)象嚴(yán)重，填充黃油嚴(yán)重變質(zhì)。為進(jìn)一步查明吊桿內(nèi)部銹蝕狀況，決定更換一根典型吊桿（四分跨處）。

圖1 結(jié)構(gòu)立面圖（單位：cm）

圖2 拉索斷面圖

2 吊桿更換設(shè)計(jì)原則

本次吊桿更換設(shè)計(jì)遵循以下原則進(jìn)行。

（1）吊桿更換施工前后及施工過程中，應(yīng)保證橋梁整體和局部受力安全。

（2）吊桿更換施工后，橋梁受力、線形與原橋狀態(tài)一致。

（3）在保障結(jié)構(gòu)安全的前提下，應(yīng)充分考慮現(xiàn)場(chǎng)施工條件，施工方案應(yīng)具有良好的經(jīng)濟(jì)性，且施工工藝易于操作、施工質(zhì)量易于控制[4-5]。

3 吊桿更換施工方案

3.1 吊桿更換施工方法

吊桿更換施工的重點(diǎn)與難點(diǎn)是，放張舊吊桿后如何將該吊桿拉力重新傳遞給新吊桿，且保障施工過程中的結(jié)構(gòu)安全。目前主流的施工方法有臨時(shí)吊桿法、臨時(shí)支架法、臨時(shí)兜吊法和直接更換法等。由于本工程橋梁下方為河流航道，不具備臨時(shí)支架法的施工條件，故不進(jìn)行比選。

3.1.1 臨時(shí)吊桿法

臨時(shí)吊桿法是在原吊桿處搭建臨時(shí)吊桿體系，臨時(shí)吊桿體系上下固定于拱肋與系梁，臨時(shí)吊桿貫穿其中。施工時(shí)通過逐級(jí)張拉臨時(shí)吊桿和逐級(jí)放張?jiān)鯒U，將原吊桿所提供的支承力逐步轉(zhuǎn)移至臨時(shí)吊桿上。更換新吊桿后，再重復(fù)前文操作，逐級(jí)將支承力傳遞給新吊桿。臨時(shí)吊桿法是目前應(yīng)用最多的方法，此方法安全、可靠，且可以同時(shí)更換多根吊桿，也可不封閉交通施工。但此類方法需要制作輔助結(jié)構(gòu)，且臨時(shí)體系在拱肋上固定時(shí)需要制作不同角度的找平裝置，施工較為煩瑣。

臨時(shí)吊桿法施工流程如下：

（1）搭設(shè)臨時(shí)吊桿體系等準(zhǔn)備工作，完成橋梁結(jié)構(gòu)幾何形狀初始數(shù)據(jù)采集工作。

（2）逐級(jí)張拉臨時(shí)吊桿，逐級(jí)放張舊吊桿，與此同時(shí)注意觀察結(jié)構(gòu)變形。

（3）舊吊桿放張后，解除舊吊桿錨固并拆除舊吊桿，安裝新吊桿并進(jìn)行錨固。

（4）分級(jí)張拉新吊桿，分級(jí)卸載臨時(shí)吊桿。

3.1.2 臨時(shí)兜吊法

與臨時(shí)吊桿法類似，臨時(shí)兜吊法也是通過臨時(shí)支撐體系來承擔(dān)舊吊桿所提供的支承力，且施工步驟類似。臨時(shí)兜吊法與臨時(shí)吊桿法的區(qū)別主要在結(jié)構(gòu)不同，臨時(shí)兜吊法是通過柔性體系實(shí)現(xiàn)與拱肋的固定，因此可以不用制作多個(gè)角度的找平裝置，并且可以通過合理設(shè)置柔性鋼絲繩的長度，避免高空操作臨時(shí)吊桿張拉。缺點(diǎn)是柔性鋼絲繩索力不易控制[3]。

3.1.3 鋼導(dǎo)梁法

在橋面更換吊桿處架設(shè)鋼導(dǎo)梁，將更換目標(biāo)吊桿的拉力傳遞給相鄰兩吊桿。該方法施工操作方便，高空作業(yè)少，但導(dǎo)梁自重大，對(duì)空間要求大，邊吊桿不適用。

3.1.4 直接更換法

直接更換法是直接將原吊桿進(jìn)行逐級(jí)放張后更換新吊桿再逐級(jí)張拉，一般應(yīng)用于剛性系梁結(jié)構(gòu)。此方法施工簡便，不需制作輔助結(jié)構(gòu)，工程造價(jià)低。但此類方法需要對(duì)施工全過程中施工步驟和施工工藝進(jìn)行嚴(yán)格驗(yàn)算和控制[9]。

由于本橋吊桿外套鋼管，若采用鋼導(dǎo)梁法難以將力直接傳遞給吊桿，故不適用于本工程。此外，為探究吊桿內(nèi)部病害情況，需對(duì)鋼管進(jìn)行切割。鋼管在橋梁運(yùn)營期間承受一定的壓力，若采用臨時(shí)吊桿法、臨時(shí)兜吊法，切割鋼管后鋼管壓力被釋放，重新焊接難以準(zhǔn)確恢復(fù)原有壓力。此外，上述方法需要制作整套臨時(shí)支撐體系，且需要對(duì)體系各構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)、計(jì)算，準(zhǔn)備工作較為復(fù)雜，且本次吊桿更換施工只更換一根吊桿，制作輔助結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性較差。本工程橋體結(jié)構(gòu)為剛性系梁，適用直接更換法，但施工過程會(huì)引起橋體較大的變形與內(nèi)力變化，需對(duì)施工過程進(jìn)行模擬計(jì)算。

綜上所述，充分考慮安全性與經(jīng)濟(jì)性，結(jié)合本橋吊桿采用外套鋼管的特殊情況，擬采用直接更換法。為保障施工過程安全、可靠，下面對(duì)直接更換法進(jìn)行模擬試算。

3.2 有限元模型

采用Midas Civil 有限元計(jì)算程序，對(duì)吊桿更換施工全過程進(jìn)行仿真分析，拱肋、系梁、橫梁、風(fēng)撐采用梁單元模擬。由于該橋主跨跨徑不大，非線性效應(yīng)影響較小，吊桿拉索采用桁架單元模擬，外套鋼管采用梁單元模擬，外套鋼管與拉索采用共節(jié)點(diǎn)雙單元模擬，在節(jié)點(diǎn)處變形協(xié)調(diào)相互作用。全橋共劃分440個(gè)節(jié)點(diǎn)、610 個(gè)單元，截面參數(shù)及材料參數(shù)按竣工圖紙取值。按實(shí)際施工步驟計(jì)算各施工階段結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力，結(jié)構(gòu)計(jì)算分析模型如圖3 所示。

圖3 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析模型

3.3 直接更換法施工步驟的確定及驗(yàn)算

按照直接更換法，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，初擬施工步驟為：施工前準(zhǔn)備→分級(jí)放張→切割無縫鋼管→抽出吊桿，安裝新吊桿→分級(jí)張拉，焊接無縫鋼管→分級(jí)張拉至原拉力。考慮到本工程外套鋼管在使用狀態(tài)參與承受一部分壓力，若在更換完新吊桿后直接按原長焊接無縫鋼管，會(huì)導(dǎo)致鋼管應(yīng)力難以控制，經(jīng)計(jì)算，當(dāng)新吊桿張拉至目標(biāo)拉力60%時(shí)，無縫鋼管應(yīng)力為0 MPa，故選取此工況下焊接鋼管。

綜上所述，參考相關(guān)工程案例，分5 級(jí)卸載與張拉吊桿，具體施工步驟見表1。

表1 施工工況及編號(hào)

將表1 工況代入有限元模型計(jì)算，提取更換目標(biāo)吊桿處的系梁、拱肋應(yīng)變與變形數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖4所示。從圖中可知，吊桿更換過程中，系梁、拱肋各項(xiàng)指標(biāo)在工況7 出現(xiàn)極值，但均未超限。與此同時(shí)，相鄰吊桿的拉力重新分配，吊桿拉力有所增加，最大吊桿拉力增量為46 kN，最大吊桿拉應(yīng)力增量為37.5 MPa，增量比例為7.3%，滿足2.5 倍的強(qiáng)度儲(chǔ)備要求。上述各項(xiàng)指標(biāo)變化與設(shè)計(jì)體系溫度、溫度梯度變化工況引起的變化近似（系梁上移1.9 mm，拱肋上移2.7 mm，鄰近吊桿分別索力增加31.3 kN 與26.5 kN）。由此可見，本工程采用直接更換法對(duì)橋梁影響較小。

圖4 系梁、拱肋應(yīng)變與變形理論計(jì)算結(jié)果

結(jié)合上述計(jì)算結(jié)果，得到以下結(jié)論：采用直接更換法，橋體強(qiáng)度儲(chǔ)備充足、安全可行。

4 吊桿更換施工監(jiān)控

4.1 施工監(jiān)控的內(nèi)容和目標(biāo)

由于采用直接更換法會(huì)引起橋梁變形與內(nèi)力的變化，所以施工過程中不僅需要對(duì)施工前后橋梁狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，還需要對(duì)每一步工況進(jìn)行監(jiān)控。結(jié)合有限元計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)拱肋和系梁的變形及應(yīng)力、吊桿拉力、鋼管應(yīng)力、溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。系梁變形監(jiān)測(cè)采用電子水準(zhǔn)儀，拱肋變形監(jiān)測(cè)采用全站儀。拱肋、系梁和鋼管應(yīng)力監(jiān)測(cè)均采用表面外貼式鋼弦應(yīng)變計(jì)。吊桿拉力主要采用油壓千斤頂讀數(shù)測(cè)定法進(jìn)行測(cè)定。

吊桿更換施工具體控制目標(biāo)設(shè)置如下：

（1）施工前后。更換吊桿后，全橋的線形、內(nèi)力均符合該橋現(xiàn)狀的要求。吊桿更換前后，拉力偏差不超過5%，鋼管內(nèi)力偏差不超過10%，系梁及拱肋各測(cè)點(diǎn)處變形值控制在2 mm 以內(nèi)，吊桿拉力和橋面線形與原橋狀態(tài)基本保持一致。

（2）施工過程中。參考有限元理論計(jì)算值，取理論應(yīng)力1.02、1.05、1.1 倍作為應(yīng)力三級(jí)預(yù)警值，取超過理論計(jì)算值1 mm、1.5 mm、2 mm 作為三級(jí)變形預(yù)警值，對(duì)比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與預(yù)警值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)施工過程的控制。

4.2 施工監(jiān)控結(jié)果及分析

整理各工況監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖5 所示。從圖中可知，在工況7下，系梁在更換吊桿截面出現(xiàn)最大下?lián)希瑸?0.70 mm；拱肋出現(xiàn)最大上撓，為0.60 mm。系梁在施工過程中出現(xiàn)的最大拉、壓應(yīng)變分別是10.3 με、-44.1 με，拱肋最大拉壓應(yīng)變分別為55.6 με、-50.9 με。更換吊桿處外套鋼管在工況6 時(shí)達(dá)到最大正應(yīng)變，為173.3 με。上述控制目標(biāo)均小于理論計(jì)算值。由于施工當(dāng)日在吊桿更換時(shí)間較短，氣溫變化不明顯，因此可以忽略溫度影響。綜上所述，此次施工過程安全、可控。

圖5 系梁、拱肋應(yīng)變與變形實(shí)測(cè)計(jì)算結(jié)果

對(duì)比更換吊桿施工前后數(shù)據(jù)：吊桿更換完成后，系梁、拱肋各監(jiān)控截面的應(yīng)變和變形均與原橋狀態(tài)接近。結(jié)果表明，施工前后系梁達(dá)到恢復(fù)原橋狀態(tài)的基本目標(biāo)。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到吊桿拉索拉力為902 kN，鋼管的壓力為156 kN；吊桿更換完成后，吊桿拉索拉力為905 kN，鋼管的壓力為142 kN。吊桿更換前后鋼管內(nèi)壓力變化了8.8%，符合監(jiān)控控制目標(biāo)。

綜上所述，在本次吊桿更換施工過程中橋梁結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)變均小于理論值，說明結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。吊桿更換完成后，系梁和拱肋各監(jiān)控截面的應(yīng)變和變形均與原橋狀態(tài)接近，且新吊桿拉力及鋼管內(nèi)力與原橋基本一致，說明橋梁在更換吊桿施工后達(dá)到了恢復(fù)原橋狀態(tài)的基本目標(biāo)。

5 結(jié)論

本文通過分析對(duì)比多個(gè)系桿拱橋吊桿更換施工工藝，結(jié)合更換設(shè)計(jì)原則，以及本橋吊桿外套鋼管的情況，擬選直接更換法，并結(jié)合有限元計(jì)算，論證了直接更換法的可行性。現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，采用施工監(jiān)控的方法監(jiān)控施工過程中該橋的受力、變形，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果表明：采用直接更換法進(jìn)行吊桿更換對(duì)剛性系桿的系桿拱橋影響較小。綜上所述，在對(duì)施工過程進(jìn)行計(jì)算分析、論證橋梁安全后，采用直接更換法進(jìn)行系桿拱橋吊桿更換施工是一種經(jīng)濟(jì)、高效的施工方法。