拱桥吊杆更换工艺及其力学特性分析

杨旺;王福敏;李琦

【摘 要】对中、下承式拱桥吊杆主要病害进行统计和原因分析，提出吊杆更换的一般原则，并对新吊杆类型选择、临时替代设施进行对比和分析。以重庆市合川合阳嘉陵江大桥为工程背景，对其吊杆更换工艺和力学特性进行分析，获得了良好效果。%This paper makes statistics of main diseases in half -through and through arch bridge suspenders and analyzes causes , proposes general principles for replacement of suspenders and compares and analyzes selection of new suspender types and temporary substitute facilities .With Chongqing Hechuan Heyang Jialing River Bridge as project background , the paper analyzes replacement processes and mechanical properties of its suspenders and obtains perfect effects . 【期刊名称】《公路交通技术》 【年(卷),期】2015(000)001 【总页数】6页(P88-93)

【关键词】拱桥;吊杆病害;吊杆更换;力学特性 【作 者】杨旺;王福敏;李琦

【作者单位】重庆交通大学，重庆 400074;招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067;招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067 【正文语种】中 文

【中图分类】U488.22

随着预应力技术的发展和钢筋混凝土拱或钢管混凝土拱作为结构受力构件的应用，中、下承式吊杆拱桥因其外形轻巧美观、受力明确合理、施工方便快捷等突出优点，迅速发展成为我国城市公路桥梁较流行的桥型，应用极为广泛[1]。

吊杆是中、下承式拱桥的重要组成部分和传力构件，其安全性、耐久性和适用性都关系到整座桥梁结构的安全与正常使用。近年来，国内由吊杆安全问题引发恶性事故的桥梁屡见不鲜，部分吊杆病害导致的桥梁坍塌事故统计见表1。

目前拱桥吊杆普遍存在如下病害：1) 由于服役多年，结构耐久性降低，防护套管开裂，导致钢丝与大气和水接触，造成钢丝锈蚀，如图5所示；2) 对于那些未经过封锚处理的锚具而言，其上、下锚头锈蚀，如图6所示[2]。

在以往的中、下承式拱桥结构设计中，主要存在以下2个问题：一是仅考虑强度而忽视疲劳问题，对吊杆的最大应力控制较好，但忽略了振动、冲击、弯曲附加应力等因素的影响；二是部分结构构造细节设置不合理，特别是下锚点锚固构造。 施工上，由于受到当时施工技术条件的制约和工人素质的影响，许多拱桥吊杆存在“先天性”的缺陷与不足。另外，监管部门对运营过程中的拱桥吊杆防护认识不足，疏于日常的管理与养护，未能及时发现和阻止吊杆一般病害的发展，给桥梁留下了严重的安全隐患。

如果这些吊杆病害继续恶化，则当其达到一定程度后，可能会致使吊杆在反复的荷载作用下突然破坏、断裂，从而导致整座桥梁垮塌，造成人员伤亡和经济损失。因此，对此类旧危吊杆拱桥适时更换吊杆就显得尤为迫切。

目前，国内拱桥使用的吊杆大致有4类，常用吊杆型式及优缺点见表2[3-4]。 为了取得良好防腐性能和锚固性能，目前国内拱桥吊杆更换选用最普遍的吊杆类型是平行钢绞线+整束挤压锚，此类吊杆具有如下主要特点。

1) 钢绞线在两端锚具和索体内均隔离防腐，其防腐性能优越，抗震性能好。

2) 钢绞线两端整束挤压锚固，安全牢固，疲劳性能好。 3) 锚头结构紧凑、外径小，有利于整体结构的优化和美观。 4) 索体自重较轻。

为了满足安全、经济、耐久以及尽量减小对交通通行的影响，节约工期等要求，吊杆更换一般须遵循以下原则。

1) 吊杆更换施工过程中，必须严格保证桥梁结构安全，杜绝对原构件造成不必要或过度的损伤。吊杆更换完成后，桥梁能够满足原设计要求以及将来的运营需要。 2) 吊杆更换前后，应保持桥梁结构的内力和线形变化最小，桥面线形基本一致，吊杆的初张力与设计索力差异不大，并确保桥梁构件工作状态的连续性。 3) 吊杆更换应尽量选择温差变化较小的季节施工，应减少工序，缩短工期，并尽量减少对桥面的占用，最大可能地满足通行需求，以将对交通通行造成的影响降到最低。

4) 吊杆更换方案应具有较好的经济性和可行性，需采用成熟的施工技术和施工工艺，切实保证工程的施工安全和质量。

拱桥吊杆更换采用的方法基本都是选择临时替代设施，不同的是临时替代设施设置方式不一样，目前使用的大致有如下4种方法。 2.2.1 临时吊杆法

临时吊杆法是在拱肋上设置三角垫块，上面放置临时钢横梁，将4根临时吊杆穿过4根临时钢横梁(2个置于三角垫块上，2个置于横梁下面)，其结构如图7所示。更换吊杆时，先对临时吊杆进行分级张拉，每次张拉完成后，对应卸掉相应比例的吊杆钢丝(通常是割断钢丝)，多次循环直至卸掉旧吊杆；然后安装并张拉新吊杆，同时对临时吊杆卸载，直至新吊杆的索力张拉到设计值后再去掉临时吊杆设施，完成吊杆更换。此方法优点是受力较明确，施工设备少。其缺点是每对吊杆拱背上的三角垫块倾角不一样，制作麻烦；拱肋背上位置狭小，高空作业，施工不便。该方

法适用于单个吊杆和整桥吊杆更换[4]。 2.2.2 桥面扁担梁法

桥面扁担梁法是在桥面上设置临时钢梁，将其作为扁担梁；在钢梁中间设置临时吊杆，并将其穿过桥面；兜吊下横梁，并将旧吊杆力通过临时吊杆和扁担梁传递到两侧相邻的2根吊杆上；割除旧吊杆，装上新吊杆。桥面扁担结构如图8所示。采用该方法时，临时吊杆张拉、卸载和新吊杆的张拉与临时吊杆法相同，不同之处是将临时吊杆的位置由拱肋转移到桥面。该方法的优点是传力明确，可将中间吊杆的拉力转给相邻2吊杆承受，桥面上施工操作方便，高空作业少，适用于不设纵梁，且割开桥面板连续的简支桥面系。其缺点是需要制作钢桁架梁，从而会破坏部分桥面，且不适合设置了纵梁的梁格式桥面系[4]。 2.2.3 临时兜吊法

临时兜吊法是用钢丝绳将横梁直接兜吊在主拱上，然后分批割断钢丝，每次割断钢丝时要对临时兜吊系统进行适当的补拉，以平衡吊杆索力的减少；卸除旧吊杆后，安装新吊杆并进行张拉，直至张拉到目标值。临时兜吊法虽然施工较为简单，但钢丝绳内力不易控制，故实际工程中应用较少[5]。 2.2.4 临时支架法

临时支架法是在被更换吊杆下吊点的横梁下设置临时钢支架，吊杆卸载后，临时钢支架将代替被更换吊杆对横梁进行支撑，以防止横梁过大变形，确保吊杆更换过程中桥梁的安全。该方法需在桥下设置基础，且用钢量大，工期长，费用高，故比较适合于单个吊杆的更换[5]。 2.2.5 推荐方案

吊杆更换临时替代设施的选用，通常应综合考虑桥梁具体情况、需要更换吊杆数量以及施工可操作性等因素，但是一般情况下，由于临时吊杆法具有受力明确、所需施工设备少、技术成熟等突出优点，故普遍将其作为优先考虑和推荐方案。

重庆市合川合阳嘉陵江大桥为中承式钢管混凝土混合结构拱桥，跨径组合为130 m(边跨)+200 m(主跨)+130 m(边跨)，桥面全宽22.5 m。该桥于1998年12月开工建设，2001年7月竣工，2003年1月完成竣工验收，至今已良好营运10年。

该桥吊杆采用19Φ15.24 mm高强度低松弛预应力钢绞线，两端用YM15-19锚具锚固，下端锚具采用锁头器锚固，并设有可调节横梁高度的螺母；上端锚具采用夹片锚固。吊杆采用外套钢管且管内压水泥浆的防护措施。

由于受先前制造技术和设计观念的影响，目前国内吊杆的平均使用寿命不超过15年，并因超载和防腐失效等因素开始陆续出现吊杆断裂，桥面板垮塌等安全事故。为确保合川合阳嘉陵江大桥的安全营运，有必要对老式的吊杆进行更换，采用新技术和新工艺生产的新型吊杆。 3.1.1 新吊杆类型

经综合考虑，采用OVM.GJ15-19型钢绞线整束挤压吊杆作为新吊杆。 3.1.2 临时吊杆系统设置

1) 先在人行道上临时吊杆系统安装位置处钻孔，以便安装。

2) 在被更换吊杆相邻2条横梁上方的人行道上安放枕木，并在枕木上拼装15 m长的双排单层贝雷梁；然后在贝雷梁上安装分配梁、高强精轧螺纹钢，横梁下安装扁担梁、手摇千斤顶。

该桥吊杆更换原则为“先主跨后边跨”。更换时，从主引桥桥跨中线往两侧对称施工，每根横梁两端吊杆同时进行。为确保调节标高的精确度和施工安全，在桥上实施交通管制，不允许车辆通行，只允许行人在规定的通道内通行。该桥吊杆更换施工流程如图9所示。 为确保旧吊杆拆除时桥梁各部分的变形尽可能保持平稳，从而避免因变形过大而造成桥面开裂，因此，采用分次张拉临时吊杆，逐步卸载旧吊杆，并分次割断吊杆钢丝的方法进行吊杆更换[7]。临时吊杆张拉与旧吊杆的卸

载量与割断量控制见表3。

本文采用有限元软件Midas Civil建立整体模型，如图10所示。将整体模型单元内力作为局部分析模型的荷载边界条件，并根据《吊杆更换工程设计说明》中的吊杆更换方案，将更换过程中临时兜

更换某一根吊杆时，为了弄清其相应局部杆件的内力分布情况，需采用有限元软件ansys建立局部模型并进行计算。

主拱圈钢管、腹杆及盖板的MISES应力如图11所示。从图11可以看出，除了荷载作用点外，钢材其余部分应力水平均在275 MPa之下。放大荷载作用点局部结构应力如图12所示。从图12可知，应力大于275 MPa的范围很小，应力扩散迅速，属于典型的应力集中现象。各构件的应力分布云图如图13所示。由图13可以看出，拱圈除荷载作用点外，大部分区域的应力水平均较低，保持在200 MPa以下；腹杆最大MISES应力达到284 MPa，但也发生在荷载作用点附近，属于集中应力扩散的边缘，其余区域应力水平也均在200 MPa以下；上、下盖板最大MISES应力达到230 MPa；吊杆平联缀板最大MISES应力不超过100 MPa。分析表明，采用该吊杆更换设计方案，全桥吊杆更换技术可行，安全可靠。 吊杆是中、下承式拱桥最为关键的受力构件之一。近十几年来，我国陆续出现了多起由吊杆锈蚀、疲劳等病害引起的拱桥垮塌事故，给人民的生命和财产造成了重大损失，社会影响极坏。目前吊杆(包括锚头)的检测、防护、耐久性、更换等问题已经引起有关部门的高度重视，对病害严重的吊杆进行及时更换，更是成为保证拱桥安全性和适用性的重要养护手段。吊杆更换一般应遵循安全、经济、耐久的原则，并尽量减小对交通正常通行的影响[8]。新吊杆的选择应尽量采用强度高、耐久性好、易于维护及更换的新型吊杆，临时替代方法则推荐采用临时吊杆法，并在吊杆更换过程中优化施工工艺，提高施工效率。