那莫右江特大桥吊杆更换施工技术

罗 意

(广西路桥工程集团有限公司，广西 南宁 530011)

0 引言

近年来，我国的城市桥梁建设中出现了大量的钢管拱桥，其吊杆设计的年限为13～18年，桥梁投入运营使用后，随着时间的推移，大量的钢管拱桥梁吊杆达到了设计寿命，为了桥梁的安全运行需要对该类桥梁吊杆进行更换。在桥梁运行的同时进行吊杆的更换，其安全性以及施工的快捷性对社会会产生很大的影响，所以很有必要对吊杆更换施工技术进行研究，以便掌握吊杆更换施工施工关键技术。

1 工程概况

那莫右江特大桥位于南宁市坛洛镇，广昆高速(石埠北立交至坛洛段)G80线K592+363处，为中承式钢管混凝土桁架拱桥，全桥长349 m，于2001年11月开工，2003年12月通车运营。2016年，管理单位组织对其吊杆病害进行详细调查，发现吊杆存在73处漏油、37处防护罩短缺、7处衔接不密实、2处涂装层剥落、1处

聚乙烯护层老化等缺陷。

主拱两侧27组吊杆，全桥共54根吊杆，间距5.1 m。原桥吊杆型号为LZM7-85共54根，吊杆索体采用1 670 MPa级85根φ7 mm高强镀锌钢丝缠包后热挤双层HDPE，索体外径φ91 mm，破断力5 463 kN，两端采用冷铸锚头结构。锚固方式为拱肋上(拱面)为固定端，混凝土吊杆横梁下端(桥底)为张拉调节端。现更换为φ15.2 mm单丝环氧喷涂无粘结钢绞线强度1 860 MPa扭绞缠包后整束挤压成品索吊杆，1#(1′#)、2#(2′#)吊杆型号为GJ15AB-27共8根 ，其余吊杆型号GJ15AB-25共46根，索径匀为φ126 mm，破断力分别为6 510 kN、7 030.8 kN。

2 兜吊系统设计

(1)那莫大桥所在线路为南宁往百色方向唯一高速通道，设计要求不能损伤桥梁结构。因此，吊杆更换工作的工具吊杆系统只能围绕主拱圈及其下部空间进行布置。工具吊杆设计的最大难点在于吊杆顶部锚固系统的设置，根据以往拱桥吊杆更换施工的经验，有拱上钻孔法、拱上绕绳法、拱顶滑移小车法及拱上焊接法等锚固方法。考虑到本桥拱顶宽度小，拱顶滑移小车结构稳定性差、安全控制困难；拱上焊接法兜吊系统较为复杂，要在桥面设置一道转换体系，本方案为完全中断交通施工，但要求在最短时间内完成全桥维修加固工作；施工工期紧张，设备的转运效率和安全性是保证工期的重中之重，尽量减少大型设备在桥面的运用，提高工作效率。鉴于那莫大桥吊杆更换施工的特殊性，采用拱上绕绳法，兜吊系统简单、稳定性高、转移速度快，在平台上可人工搬移，大型设备使用率低；经方案比选，拱上绕绳法较为适合那莫大桥吊杆更换工程施工需求，因此，最终选择拱上绕绳法作为那莫大桥吊杆更换工程兜吊系统的方案。

(2)根据等效替换的原则，那莫大桥吊杆更换兜吊系统的工具吊杆应具有≥2.5的安全系数，即兜吊系统的临时吊杆最大应能承受375 t的荷载。

本桥吊杆最大动载为1 445 kN，主桥吊杆横梁两段各设计一兜吊系统，每兜吊系统有两兜吊横梁，每一横梁上两端各采用6φ15.2 mm钢绞线兜吊，钢绞线上方用钢丝绳与钢绞丝对接装置转换后采用2根φ60 mm固定于拱肋完成，钢丝绳公称强度为1 770 MPa，型号为6×37S+IWR(见图1)。

图1 兜吊系统设计平面图

3 兜吊系统验算

3.1 钢绞线计算

本桥吊杆最大动载为1 445 kN，每组钢绞线分担的荷载为1 445/4=361.3 kN，乘上不均衡系数，承受最大荷载的钢绞线荷载约为90.3×1.2=108.4 kN。

每组钢绞线为6根，其总面积为140×6=840 mm2。

钢绞线应力σ=361.3×1 000÷840=430.1 MPa

钢绞线的控制应力[σ]=1 395 MPa

钢绞线的安全系数K1=σ/[σ]=3.2>2，满足要求。

3.2 钢丝绳验算

本桥每个临时兜吊拱肋上的承重体系用2根φ60 mm钢芯钢丝绳固定于拱肋上完成，钢丝绳强度为1 770 MPa，型号为6×37S+IWR，每根φ60 mm钢芯钢丝绳最小破断力为2 270 kN，本桥吊杆最大动载为1 445 kN，每根钢丝绳的承载荷载为361.25 kN/cos11°=368 kN，安全系数为2 270/368=6.16，满足规范使用要求。

3.3 兜吊横梁(扁担梁)验算

每根吊杆梁底设置两条兜吊横梁，该横梁由两根I40型钢焊接制作，其外形尺寸长×宽×高为1.8 m×0.4 m×0.292 m，主要材料为槽钢、10 mm及20 mm钢板焊接而成(见下页图2和表1)。

表1 兜吊横梁(扁担梁)验算表

注：1.此表计算的荷载是考虑单根吊杆全部荷载由一根扁担梁承受，以满足即使一根钢丝绳断裂，仍然安全

图2 兜吊横梁(扁担梁)验算模型图

3.4 止滑装置焊缝计算

拱肋面上焊接钢板作为防滑装置，采用弧形板加劲肋形式，采用贴角焊焊接在拱肋上，单边焊缝长度16 mm，焊缝高度6 cm(见图3～5和表2)。

3.5 吊杆钢绞线伸长量计算

(1)旧索最长吊杆钢绞线伸长量，旧索最长吊杆为14#吊杆，吊杆长度为26.392 m。采用85φ7 mm平行钢丝冷铸墩头锚，Ep=195 000 (MPa)，截面积c=3 271(mm2)，吊杆力1 336.3 kN。

(2)旧索最大吊杆力为2#吊杆，吊杆力1 445 kN，吊杆长度9.708 m，采用85φ7 mm平行钢丝冷铸墩头锚，Ep=195 000 (MPa)，截面积Ac=3 271(mm2)。

图3 止滑装置设计示意图

图4 抗滑移计算简图

图5 加劲肋构造图(单位：mm)表2 止滑装置焊缝验算表

钢丝绳竖向力F(kN)最大上弦水平夹角θ°θ弧度夹角正弦值sinθ下滑分力F1(kN)抗滑移块数量n1(个)焊缝容许剪应力[τ](MPa)加劲板焊缝条数n2焊缝长度L0(mm)焊缝厚度t(mm)计算长度L0-2t(mm)焊缝抗剪面积A(mm2)角焊缝剪应力τ(MPa)焊缝强度是否满足要求1 50031.030.541 575 6670.515 486 816773.22145616061485 32872.56满足

注：此结构偏安全地不考虑弧形挡板焊缝的贡献，只计算加劲肋焊缝的作用

3.6 变角装置

拱肋正下方两侧防撞墙的内空与拱肋等宽，在拱肋横截面上2根钢丝绳间安装一个变角装置，把2根钢丝绳固定在2个φ200 mm的滑轮间，间距1.2 m。为了避免通过桥面板的预应力束与桥面板由于干涉而产生的夹角及所产生的分力对桥面的影响、预应力筋与桥面板摩擦造成预应力筋破损降低了其安全性等，故特设了变角装置来修正垂度得以错开防撞墙。

变角装置受力分析：临时兜吊中的每根临时吊杆受力为吊杆最大动载力为1 445 kN的四分之一，约为361 kN；钢丝绳在底拱肋下的长度3 m，与竖直方向夹角为11度，水平分力即361 kN/sin11°=70.2 kN；边角装置横向联系为2 cm×20 cm宽钢板，水平横向产生的拉应力为：70 200/(0.2×0.02)=17.55 MPa，远小于Q235钢材的允许拉应力145 MPa，该结构是安全的(见图6)。

图6 变角装置设计图

3.7 钢丝绳与钢绞丝对接装置

每个对接装置由1个连接叉耳，1个锚固套、6个挤压锚组成。其中叉耳是钢丝绳转换成钢绞丝的对接构件，在钢丝绳铝压头一端穿过叉耳用插销与叉耳连接。把下好料的钢绞线的一端与挤压套用挤压机挤压锚固后装进锚固套，钢绞线锚固套与叉耳是螺栓形式连接，钢丝绳转换钢绞丝完成。叉耳由专业厂家(OVM)指定生产(要求在生产后进行破坏性试验，试验合格后方可使用)，长×宽×高尺寸为(140×140×240) mm，强度1 760 kN，高于6根钢绞线破断力1 560 kN。

3.8 锚具

针对本工程，施工过程需要反复张拉、放张等工况，采用工具锚及工具夹片带防松装置。

4 操作平台设计

4.1 拱上施工平台

拱桥换吊杆施工，拱顶施工内容较多，需要搭设拱上施工平台。拱顶施工的主要内容为旧吊杆上锚头的拆除、新吊杆的安装及工具吊杆拱上焊接锚固系统的安装。由于主拱上下弦杆间缀板顶面为平面，可供人行走，因此搭设拱上施工平台主要考虑相关施工机具的搬运通道及必要的施工操作平台之用。

拱上施工平台搭设的主要材料为φ48×3.5 mm钢管和竹跳板，全桥下弦杆通长搭设，施工平台通过固定于下弦管上的悬臂钢管锁定在主拱上下弦管上，通道及施工平台采用竹跳板满铺。上弦杆施工通道利用原来的检修道。主拱圈防腐平台采用2根φ16 mm钢丝绳作为主要承重结构，φ16 mm钢丝绳两端用手拉葫芦张拉固定于拱肋下弦杆上；中间用12钢丝绳增加吊点与钢管连接作为辅助承重结构，承重钢丝绳上的竹跳板用铁丝绑扎固定，在支架的上部两侧采用安全绳作为扶手。为保证斜腹杆区域喷涂作业，考虑增设通过固定于下弦管上的悬臂钢管锁定在主拱下弦管上施工平台，通道及施工平台采用竹跳板满铺，平台布置图见图7。

(a)拱上平台示意图

(b)支架示意图图7 拱上支架布置示意图

4.2 桥下操作平台

吊杆下端的操作平台，采用可移动吊篮作施工平台，吊篮平台宽2.0 m，长4.07 m，采用(50×50×5) mm矩形钢，接头采用高强螺栓连接组拼；挂篮设置配重确保受力平衡，在桥面安装滑轮，使得挂篮可以沿桥向移动，固定时要拉好缆风绳；本次施工共加工4个挂篮，如图8所示。

图8 桥下操作平台示意图

5 操作平台验算

(1)按施工人员6人同时进入平台操作，平均体重为75 kg，总重为450 kg；

(2)100 t千斤顶4个，每个重50 kg，总重为200 kg；

(3)横梁托架重：1.8×2×65.6×2+1.2×2×57.7=610.8 kg；

(4)4个张拉支撑脚，每个重30 kg，总重为120 kg；

(5)旧吊杆下端头，估算200 kg。

荷载总计为：450+200+610.8+120+200=1 580.8 kg。考虑安全系数1.5，施加在平台上总体荷载为2 371.2 kg。

建立模型计算得出结果如图9所示：

从计算结果可以看出，均在规范允许范围内，结构是安全的。

(a)水平向位移为2.42 cm

(b)竖向位移为2.38 cm

(c)最大轴应力为37.2 MPa

(d)最大剪应力为27.8 MPa

(e)最大弯矩为96.7 MPa图9 操作平台各种工况验算图

6 吊杆更换施工及效果

6.1 工艺流程(图10)

图10 吊杆更换工艺流程图

6.2 施工准备

6.2.1 交通管制

施工期间全桥封闭，主线通行车辆从上、下行附近收费站绕行。

6.2.2 测量桥面标高

分别在白天及夜间进行桥面标高测量，掌握桥面标高与温度变化的关系曲线，为后期施工提供高低温标高控制参数。

6.3 安装兜吊系统

在拱肋对应吊杆处间距约1.5 m上下两侧各安装两φ50 mm钢丝绳，安装方法：

(1)把钢丝绳一端(含连接螺栓端)穿过另一端的压头圆圈箍住上下拱肋，并调节长度让活动端顺着钢管臂下垂，顺桥向每侧两根。

(2)在拱肋面上焊接止滑装置，把四根钢丝绳固定在拱肋上。

(3)在横截面的两根钢丝绳安装变角装置，把两根钢丝绳固定在其销轴内。

(4)把带挤压锚的钢绞线穿进锚固套，并与钢丝绳上的连接螺栓连接。

(5)钢绞线穿过桥面板φ100 mm工艺孔。1#、1′#吊杆为钢丝绳直接下穿桥面，工艺孔直径应根据钢丝绳铝压头大小扩大至可直接下穿钢丝绳。

(6)梁底安装兜吊横梁、锚具，在同一兜吊横梁上用两台YDQ25Q-150前卡顶单根预紧，预紧力宜小约5～10 kN。

(7)锚具安装防松装置，然后在每个锚具上安装撑脚、200 t穿心式千斤顶，工具锚，4个千斤顶缓慢同步张拉至原旧杆的拉力转换到临时兜吊系统上，过程中测量标高来控制。

6.4 临时兜吊系统试吊试验

临时兜吊系统首次使用应进行24 h静载试验，试验验证结构安全行、行走可行性、承载能力、控制的有效性，经加载试验合格后方可正式使用。试验方案为在全桥吊杆力最大的2#吊杆进行，兜吊系统在2#吊杆安装就位后，进行张拉，张拉至最大吊杆力(此时原吊杆不拆)，使兜吊系统完全受力，静置24 h。

6.5 旧吊杆拆除施工

旧吊杆拆除顺序由跨中向拱脚两端对称进行。

6.5.1 临时兜吊系统同步均衡张拉

(1)安装辅助索(钢绞线)用工具夹片临时锚固并进行单根预紧。

(2)对钢绞线辅助索进行张拉，张拉时要求同时同步。

(3)在钢绞线辅助索进行张拉的同时，要求桥面标高上下位移不能超过设计要求的误差范围。体系转换分级设置为10%、25%、40%、55%、70%、85%、100%。分级对长吊杆及短吊杆进行设置，对变化小的可调整为25%、55%、85%、100%。

6.5.2 拆除旧吊杆

拆除旧吊杆可考虑两种方式进行索力放张。方式一若原吊杆锚头及吊杆未使用刚性材料填充防腐且可满足张拉条件的，采用专用连接装置和千斤顶分级放张；方式二若原吊杆不能满足张拉条件的，采用桥面砂轮机手工切割分级放张(优先选用千斤顶分级放张)。

(1)在桥面处使用砂轮机手工按比例切割旧吊杆钢丝，同时测量观测桥面标高变化，严禁桥面标高超出设计允许范围。

(2)将旧吊杆从两头拔除，清除预埋管内残余杂物，必要时使用电锤。将预埋管内的毛刺打平，并采取除锈刷漆处理。

6.6 新吊杆安装及张拉调索

吊杆安装前应先沿桥面展开，检查吊杆在制作及运输过程中是否损伤；同时释放吊杆卷盘时产生的应力。通过专用牵引头与吊杆上锚头连接，用卷扬机起吊，将上锚头吊至拱肋底后，将锚头与拱肋伸出的钢丝绳连接，拱肋内用葫芦继续牵引，直到上锚头露出垫板，套上球形支座，拧上螺母。

(1)新吊杆也采用分级张拉，对桥面及拱肋标高要进行实时测量监测；

(2)新吊杆逐级张拉时，相应对临时兜吊系统进行同步均衡放张，新吊杆张拉到位后，临时兜吊也同时放张至零；

(3)新吊杆张拉时对索力及标高进行双控。

6.7 施工效果

本次那莫右江特大桥吊杆更换施工，临时兜吊设

计合理，安全可靠，施工便捷，仅仅用了15 d便完成了全桥54根吊杆更换，索力及桥面标高复核均在设计运行范围内。

7 结语

那莫右江特大桥吊杆更换施工采用拱上绕绳临时兜吊，方便快捷，实施效果良好。在国内，钢管混凝土拱桥已经修建了超过300座，调查总结其吊杆病害特点并形成吊杆更换成套施工技术，为其健康运营和继续发展提供了良好保障、打下了坚实基础。