基于差值法的系杆拱桥更换吊杆方案优化研究

李浩师，黄平明，王 涛，蔡昌伟，张燎原

(长安大学 公路学院，陕西 西安 710064 )

系杆拱桥造型优美，结构新颖，兼顾梁桥和拱桥的受力特性，是典型的三元结构体系[1]，由梁体、吊杆及拱肋组成。吊杆作为中、下承式系杆拱桥的主要传力构件[2]，其安全性、适用性和耐久性关系到整个桥梁的安全运营。由于其计算理论、构造设计、运营管理等方面的不足，吊杆很容易出现锚具锈蚀、吊杆钢筋疲劳等病害[3-5]，最有效的解决措施是更换吊杆。

目前国内更换吊杆主要采用临时支架法[6-7]、临时兜吊法[8-9]和临时吊杆法[10-11]等。临时吊杆法通过分级张拉临时吊杆和分批切断旧吊杆钢丝将吊杆力转移到临时吊杆，再通过分级张拉新吊杆和分级卸载临时吊杆，将临时吊杆力转移到新吊杆。一般多采用等步长替代[12]的方法进行更换，但是并没有考虑到旧吊杆的卸载和新吊杆的张拉，桥面线形的变化及是否需要二次调索等。本文基于此，以某中承式系杆拱桥主桥更换吊杆为例，提出采用临时吊杆法，在传统的等步长更换基础上，运用差值法进行吊杆梯度张拉更换，以优化系杆拱桥更换吊杆的张拉方案。

1 工程背景

一中承式系杆拱桥于1994年建成通车。主桥上部结构为钢筋混凝土平行拱肋系杆拱，拱肋中心间距19.68 m，计算跨径80 m，矢跨比1/5。拱轴线为二次抛物线，拱肋采用内八角形箱形截面，共设5道一字型横撑。纵梁采用55 cm×130 cm的矩形截面形式，横梁采用120 cm×160 cm的矩形空心截面。全桥共设13对吊杆，吊杆中心间距5.08 m，旧吊杆由90根φ7镀锌钢丝组成，新吊杆采用PE护套钢绞线，吊杆外径140 mm，PE护套厚度13 mm，由37束钢绞线组成。主桥桥跨布置如图1所示。

图1 主桥桥跨布置(单位：cm)

经过20余年的运营和雨水剥蚀，全桥吊杆锚头大部分存在严重锈蚀病害，锚头内外露钢丝锈蚀严重；吊杆钢护筒破损；吊杆表面掉漆锈蚀，短吊杆基本被埋在泥土中。为了桥梁结构的安全运营，需要对主桥进行吊杆更换。

2 吊杆更换方法

本桥吊杆更换采用临时吊杆法，在拱肋吊杆位置前后分别浇筑三角形混凝土垫块，架设上钢横梁，打穿桥面板相应位置，对应横梁底部架设2道下钢横梁，每根吊杆处安装4根临时吊杆，形成临时吊杆工作系统。

采用临时吊杆法更换吊杆，需要2次体系转换，首先切断旧吊杆，通过分级张拉临时吊杆和切断旧吊杆钢丝交替进行，共分5级张拉，划分10个工况，完成第1次体系转换。切断旧吊杆，凿除锚头、清孔，安装新吊杆，开始张拉新吊杆，同理分级张拉新吊杆和卸载临时吊杆交替进行，完成第2次体系转换。

对于张拉方案，提出等步长和差值法2种方案，其中等步长方案按照30%，30%，20%，10%，10%的梯度进行5级张拉和卸载，每级张拉力值比例和卸载力值比例相同。而差值法在保持张拉比例不变的情况下，改变卸载比例。为降低控制风险，第一级卸载比例仍然保持为30%，为防止桥面抬升过多，在张拉过程加大卸载比例，第二级卸载比例由30%加大为35%，同时为了防止梁体下降太多，第三级卸载比例保持20%不变，第四级卸载比例减小为8%，第五级减小为7%。切断旧吊杆时，按照30%,30%,20%,10%,10%的梯度张拉临时吊杆，按照30%,35%,20%,8%,7%的比例切断旧吊杆钢丝。张拉新吊杆时，按照30%,30%,20%,10%,10%的梯度张拉新吊杆，按照30%,35%,20%,8%,7%的比例卸载临时吊杆索力。详细张拉方案如表1、表2所示。

表1 临时吊杆梯度张拉方案

表2 新吊杆梯度张拉方案

吊杆更换采用从中间向两边的顺序逐次更换，即7#-6#-8#-5#-9#-4#-10#-3#-11#-2#-12#-1#-13#，每次仅更换上下游编号相同的一对吊杆，以降低控制风险。在整个更换过程中，进行索力和线形双控，要求吊杆索力与设计值相差10%以内，线形与设计值相差控制在10 mm 以内。

3 更换吊杆

3.1 切断旧吊杆

吊杆更换采用从中间向两边的顺序逐根进行，对7#,6#吊杆进行试验性更换。首先切断7#旧吊杆采用方案1的等步长方法，张拉临时吊杆和切断旧吊杆钢丝交替进行，详细张拉梯度和工况划分参见表1。

旧吊杆切断过程，每一级张拉，精确测量张拉吊杆和相邻吊杆的索力及线形，至7#临时吊杆张拉完毕，其各吊杆处标高变化量如图2(a)所示。桥面整体升高，7#吊杆处桥面抬升最多，为3.66 mm，6#，8#吊杆处桥面分别抬升2.04，2.13 mm。相邻吊杆索力均减小，如图2(b)所示。

图2 张拉7#，6#临时吊杆时各吊杆处标高及索力变化量

从图2测量数据来看，张拉临时吊杆过程中，旧吊杆没有及时放张，虽然切断相同比例的钢丝根数，但是旧吊杆索力并没有卸载到相应比例。7#旧吊杆索力与临时吊杆索力之和大于7#吊杆初始索力，7#吊杆处桥面升高。同时造成桥面整体升高，使得相邻吊杆索力均减小，桥面抬高。

虽然切断7#旧吊杆，全桥索力和线形变化均在控制范围之内，但是如果继续按照该方案进行吊杆更换，会出现叠加效应，桥面继续升高，不利于施工控制。基于此，改变张拉梯度，对6#临时吊杆张拉采用差值法按照方案2进行临时吊杆的张拉，详细张拉梯度和工况划分参见表1。

至6#临时吊杆张拉完毕，各吊杆处标高变化量见图2(a)，虽然桥面仍然稍有升高，但是变化量非常小，标高最大值6#吊杆处升高1.81 mm，最小值8#吊杆处升高1.12 mm。而吊杆索力变化量也减小，尤其4#吊杆索力变化量仅为22 kN，见图2(b)。

图3 旧吊杆力卸载比例

张拉7#和6#临时吊杆过程中，比较旧吊杆每一级的卸载比例，见图3。7#临时吊杆张拉方案下，卸载比例与设计卸载比例有较大差值。而6#临时吊杆采用差值法进行张拉，从第二级开始，其卸载比例加大，接近设计卸载比例，不仅6#旧吊杆索力及时卸载，而且各吊杆处线形变化量均很小，运用差值法张拉临时吊杆有较好的效果。

3.2 张拉新吊杆

临时吊杆张拉完毕，凿除锚头、清孔，安装新吊杆，交替分级张拉新吊杆和卸载临时吊杆。其中7#新吊杆采用等步长的方法按照方案3进行张拉，6#新吊杆采用差值法按照方案4进行张拉，详细张拉梯度和工况划分参见表2。

新吊杆张拉完毕，比较2种张拉方案在张拉过程中各吊杆处标高增量，如图4(a)所示。可以看出，通过方案3张拉7#新吊杆，张拉吊杆和相邻吊杆处均升高，7#吊杆处升高1.9 mm，其他吊杆升高也超过1 mm。而采用方案4张拉6#新吊杆，至张拉完毕，标高最大值6#吊杆处仅升高0.87 mm，其他相邻吊杆处基本小于0.5 mm。方案4的线形变化量明显小于方案3线形变化量，有利于维持桥面线形平顺，降低控制风险，便于进行施工控制。

按照方案3和方案4张拉新吊杆后，相邻吊杆的索力变化量如图4(b)所示。可以看出，采用方案3张拉完毕后，除了7#新吊杆张拉到位，相邻吊杆索力均增大，其中8#吊杆索力增大最多，增大199 kN， 6#吊杆索力增加178 kN。而采用方案4张拉6#新吊杆，至张拉完毕，相邻吊杆索力虽然也有增大趋势，但是变化量明显小于方案3。可以看出，采用方案4不仅新吊杆索力张拉到位，而且对相邻吊杆影响较小。

图4 张拉7#，6#新吊杆时各吊杆处标高及索力变化量

分级张拉新吊杆，比较每一级新吊杆力的增长比例，如图5所示。与设计张拉力的增长梯度比较，张拉7#新吊杆，其增长速度大于设计增长速度，而采用差值法张拉6#新吊杆，其增长速度低于7#新吊杆，与设计增长梯度较为接近。运用差值法张拉新吊杆有较好的效果。

图5 新吊杆力增长比例

3.3 全桥吊杆更换

全桥吊杆更换完毕，索力与初始值比较，如表3所示，相差均在10%以内。4#吊杆相差最大，为8.35%，7#吊杆按照等步长的方法进行更换，为7.35%，其他吊杆大多数索力相差在5%以内。

表3 全桥吊杆索力与初始值比较 %

桥梁线形与更换吊杆前比较，见图6。可知，7#吊杆处升高5.23 mm ，6#吊杆处升高5.04 mm，其他吊杆处变化量均在5 mm以内，小于限值10 mm。全桥桥面处于抬升状态，从桥梁运行角度考虑良好。

图6 全桥线形变化量

综合考虑全桥索力和线形，变化量均很小，完全满足要求，无需进行二次调索。

4 结语

1)全桥共13对吊杆，从中间向两侧逐根进行更换，7#吊杆采用等步长的方法梯度更换，其余吊杆全部采用差值法梯度更换。至更换完毕，全桥吊杆索力变化较小，线形变化平顺，均符合要求，无需进行二次调索。

2)吊杆更换过程中，会对相邻吊杆索力和标高产生影响，切断旧吊杆方案2优于方案1，张拉新吊杆方案4优于方案3，即差值法更换吊杆优于等步长更换吊杆。

3)采用差值法张拉临时吊杆可有效解决旧吊杆力卸载不足的问题，减小桥面线形变化量；采用差值法张拉新吊杆，可使得新吊杆力每级接近设计值的大小，减小对相邻吊杆索力的影响，减小桥面线形变化量。

4)更换吊杆时桥面线形和吊杆索力均会发生变化，建议更换吊杆时选取合适的差值比例进行梯度张拉，以减小线形和索力的变化量，避免二次调索。