某中承式拱橋更換吊桿及增設縱梁加固設計

以某中承式拱橋加固設計為實例，通過更換吊桿及錨頭結構形式，采用環氧鋼絞線整束擠壓式吊桿，在不擴大拱圈既有孔洞的前提下，完成吊桿承載力提升及吊桿更換；結合本橋實際情況，優化既有加固方法，在盡可能不破壞橫梁的情況下，通過增設鋼縱梁及兜吊解決舊橋中常見的單吊桿問題，以保證在單根吊桿斷裂情況通行車輛及人群的安全。

拱橋； 更換吊桿； 增設鋼縱梁； 兜吊； 單吊桿

U445.7+2A

鐵路與公路鐵路與公路

［定稿日期］2023-05-26

［作者簡介］陽瑞（1992—），男，碩士，工程師，主要從事橋梁設計及橋梁加固設計工作。

［通信作者］胡濤（1990—），男，碩士，工程師，主要從事橋梁設計、計算分析工作。

0" 引言

早期中、下承式拱橋由于設計理念問題，橋面結構大多采用簡支結構并直接設置于懸吊橫梁上［1］，由于缺乏橫梁間的縱向聯系，使橋面整體性較差，存在斷索落梁的風險［2］，近些年已多次發生該類型，交通部于2020年12月25日頒布的《公路危舊橋梁改造行動方案的通知》文件中明確指出［3］，該類橋需進行加固設計，確保在斷索時橋面體系不垮塌。

本文以某既有中承式拱橋為實例，通過對其運營階段存在的兩大主要病害進行加固設計，該拱橋跨徑為4.95 m+9×6 m+4.95 m，橋梁全寬26 m，拱圈跨徑60 m，矢跨比1/3.8，拱圈為鋼筋混凝土箱型截面，拱圈高1.7 m，寬度2.0 m，總體布置見圖1，該橋橋面均為預支空心板，其簡支至于橫梁上，修建于2002年，至今已運營20年，期間未進行加固，主要病害：①吊桿保護層破壞較嚴重［4］，上下錨頭有積水且超過吊桿設計使用年限；②該橋整體性較差，主跨部分未設計縱梁，橋面板均簡支于吊梁上，吊梁左右側各設1根吊桿，任何一根吊桿斷裂，均會引起橋面坍塌，該橋主要病害見圖2。

1" 加固設計主要思路

本次加固設計主要思路為：

（1）在不大幅增加結構自重的情況下，增強橋面結構的整體性，采用增設鋼縱梁的方式使橋面形成縱橫梁一體的結構形式，單根吊桿斷裂后橫梁向下荷載傳至縱梁，然后由其余吊桿進行重新分配，從而保證橋面不致坍塌，有足夠時間保證橋上車輛、行人撤離以及修復吊桿。

（2）在不對拱肋進行重新開孔的前提下進行更換吊桿，并按照最不利單根吊桿斷裂工況進行選吊桿型。

（3）先進行吊桿更換再進行鋼縱梁及兜吊安裝，鋼縱梁及兜吊在運營階段依然能為橋面提供整體剛度及縱向剛度。

2" 更換吊桿設計方案

原吊桿為73-7平行鋼絲組成，其破斷力為5 225 kN，在梁端為固定冷鑄鐓頭錨具，拱肋端為張拉冷鑄鐓頭錨具，原吊桿在拱圈及橫梁內預埋管內徑為205 mm。

2.1" 新吊桿選擇原則

（1）新換吊桿滿足現行JTG/T D65-06-2015《公路鋼管混凝土拱橋設計規范》中吊桿安全系數大于2.5的要求［5］。

（2）新換吊桿型號選定時，以單根吊桿力斷裂時全橋其他吊桿的最不利狀態來進行承載力選擇［6］。

（3）新換吊桿上、下導管直徑盡量匹配，盡可能保證不在拱圈內擴孔。

（4）新吊桿設計使用年限仍為20年［7］。

2.2" 吊桿索力計算

通過Midas civil建立全橋有限元模型（圖3），分別模擬在成橋狀態、運營狀態、1#、2#、3#吊桿斷裂工況，得到在不同工況下最不利吊桿索力（表1）。

2.3" 吊桿形式選擇

吊桿通常采用環氧涂層鋼絞線整束擠壓式和環氧涂層平行鋼絲冷鑄墩頭式，本次設計分別對其比較并選用更為合適的吊桿形式：

（1）環氧鋼絞線整束擠壓式吊桿：索體兩端通過擠壓方式與錨具固結而組成的拉索組件，拉索組件固定于結構中，承受靜、動力荷載。擠壓錨固鋼絞線吊桿包括錨具、防腐鋼絞線、高密度聚乙烯外層HDPE護套等。

（2）環氧涂層平行鋼絲冷鑄墩頭吊桿：索體兩端通過冷鑄墩頭方與錨具固結而組成的拉索組件，拉索組件固定于結構中，承受靜、動力荷載。冷鑄墩頭錨固平行鋼絲吊桿包括錨具、防腐平行鋼絲、高密度聚乙烯外層HDPE護套等。索體由若干根環氧噴涂平行鋼絲組成，整體平行鋼絲兩層護（環氧涂層+PE護套）。

根據不同工況下確定的最不利吊桿力，對兩種吊桿形式的吊桿進行型號選擇以及優缺點對比，如表2所示。

根據以上比選，考慮錨具可靠，結構尺寸緊湊，張拉調索后期更換維修方便，保證不改變原結構預留孔道尺寸等因素，且環氧涂層鋼絞線整束擠壓式吊桿結構安全可靠，提高了抗疲勞性，故本吊桿采用環氧涂層鋼絞線整束擠壓吊桿。

3" 增設縱梁方案設計

3.1" 增設縱梁方案比選

既有拱橋中后期增設縱梁有很多不同方式，主要為在橫梁下側增設縱梁、橫梁之間增設縱梁、橫梁上方增設縱梁，根據不同橋梁結構形式采用不同的設計方案，如圖4所示。

3.1.1" 方案一

在橫梁下增設縱梁，并將吊桿下錨點設置于縱梁上，在縱梁上設置縱向限位裝置從而保證橫梁不在縱向變形，縱梁橫梁形成一個整體，單根吊桿斷裂時，橫梁荷載直接傳遞至縱

鋼絞線兩端整束擠壓錨固，安全可靠、疲勞性能好；鋼絞線在索體內可隔離防腐，每根鋼絞線之間相互隔離，避免了鋼絲束由于一處受腐蝕而整束銹蝕，同時有效的防止微動磨損，增加索體阻尼，提高索體耐疲勞性能，抗震性能好，受力安全性大大提高；螺母承壓面采用了球體形狀裝置，該裝置可方便吊桿拉索的安裝和糾偏；原設計錨孔孔可利用，施工方便，施工工期快，后期更換維修方便。應用實例多，技術成熟

環氧涂層比一般的鍍鋅涂層耐久性好，但是鋼絲與鋼絲之間直接接觸，容易引起連貫性腐蝕，拉索振動出現微動磨損，進而導致環氧層磨損并逐漸露出鋼絲本體，同時微動磨損還會增加索體的額外疲勞；制造索體時需要扭轉PE 層和鋼絲形成緊密包裹結構，PE層存在初始應力，有開裂隱患；錨頭尺寸較大，需要對原錨孔進行擴孔，同時因為彩虹大橋主橋橫梁有預埋鋼管，擴孔會破壞原有梁體結構

造價

兩者造價差異不大

鐵路與公路陽瑞， 胡濤： 某中承式拱橋更換吊桿及增設縱梁加固設計

梁，并通過其他吊桿重新分配后承擔斷裂吊桿處的豎向荷載。

3.1.2" 方案二

在兩道橫梁之間增設縱梁，吊桿下錨點設置于橫梁上，鋼縱梁通過對拉錨栓植入橫梁內，保證縱梁與橫梁形成一個整體，單根吊桿斷裂時，橫梁荷載直接通過錨栓傳遞至縱梁，并通過其他吊桿重新分配后承擔斷裂吊桿處的豎向荷載。

3.1.3" 方案三

在橫梁上增設縱梁，吊桿下錨點設置于橫梁上，鋼縱梁通過設置兜吊將橫梁與縱梁連接為整體，并在兜吊上設置錨栓于橫梁內，以加強縱橫梁的整體，單根吊桿斷裂時，橫梁荷載直接通過兜吊傳遞至縱梁上，然后縱梁再將荷載通過其他橫梁傳遞至其他吊桿。

3.1.4" 本次設計方案

本橋設計方案采用類似于方案三設計思路，但又根據本橋實際情況進行優化設計，其一本次設計方案中縱梁各節段之間以及縱梁與兜吊之間均通過螺栓連接，采用螺栓連接方便后續更換吊桿時兜吊臨時拆除安裝，見圖5；其二兜吊與橫梁之間采用支座進行頂緊，并未采用化學錨栓與橫梁進行剛接，主要原因為該橋橫梁采用倒梯形截面且橫梁截面較小，同時橫梁內設有預應力，采用化學錨栓易損害橫梁結構，同時橫梁倒梯形截面與兜吊之間接觸面較小，可設置化學錨栓數量較小，無法達到兜吊與橫梁剛接的需求。

根據該橋空間情況，鋼縱梁采用兩片焊接工字鋼組成，分別置于吊桿兩側，兩片工字鋼通過綴板連接，兩片工字鋼中心間距為600 mm；單片工字鋼高900 mm，寬400 mm，如圖6所示；鋼縱梁共分為11個節段，各個節段之間通過節點板采用高強螺栓連接，端部采用化學錨栓方式與拱肋連接。

兜吊主要作用為將橫梁與縱梁連接成整體，在正常運營狀態下兜吊不參與結構受力，而當吊桿斷裂時，兜吊作為縱、橫梁之間的傳力構件，通過在橫梁底的支座將豎向荷載傳遞至兜吊，然后兜吊通過高強螺栓將橫梁荷載傳遞至鋼縱梁上。

在每片鋼縱梁下均設置兜吊，兜吊與鋼縱梁間采用螺栓連接，便于施工及后期更換吊桿。兜吊采用全焊接結構，兜吊高1 764 mm，寬2 660 mm（圖7），材料采用Q355c鋼材。

3.3" 加固完成后運營狀態

本橋更換吊桿及增設鋼縱梁已經施工完成，現橋梁整體運營良好，且增設縱梁后對橋梁整體景觀效果影響較小，尤其是增設縱梁及兜吊后對橋下空間并未有較大影響（圖8）。在施工期間為全封閉狀態，更換吊桿時未破壞既有橋面鋪裝、防撞護欄等構件，更換吊桿及增設縱梁施工時間為15天。

4" 結論

（1）本文在橋面不拆除情況下，進行全橋吊桿更換、鋼縱梁及兜吊安裝，現橋梁施工已全部完成，目前運營良好。

（2）本次加固設計提升了吊桿承載能力，通過更換吊桿錨頭結構形式，在不進行拱圈擴孔情況下完成吊桿施工。

（3）本橋在參考眾多拱橋增設鋼縱梁實例基礎上，結合本橋實際情況進行優化設計，以達到最終加固設計目的，目前該橋已完成荷載試驗，正常通車，該種結構形式可為其他類似橋梁結構加固設計提供參考。

參考文獻

［1］" 陳寶春，劉君平.世界拱橋建設與技術發展綜述［J］.交通運輸工程學，2020，20（1）：27－41.

［2］" 蔣超越，李章瑜，陳浩.吊桿拱橋新增加勁縱梁結構形式比選及優化設計［J］.公路交通技術.2021，37（3）：105-109.

［3］" 交辦公路〔2020〕71號，公路危舊橋梁改造行動方案［S］.北京：交通運輸部辦公廳，2020.

［4］" 靳兆鑫，于天來，溫差對系桿拱橋吊桿索力的影響［J］.中外公路，2020，40（1）：148-151.

［5］" 公路鋼管混凝土拱橋設計規范： JTG/T D65-06-2015［S］.成都：四川省交通運輸廳公路規劃勘察設計研究院，2015.

［6］" 周小勇，呂志敏，王加輝，等，支架現澆系桿拱橋吊桿張拉方案優化［J］.中外公路，2022，42（2）：125-130.

［7］" 公路橋涵設計通用規范： JTG D60-2015［S］.北京：中交公路規劃設計院有限公司，2015.