中承式钢管混凝土拱桥吊杆更换施工控制分析

秦 志，莫世英，李锦弥

(广西交通投资集团南宁高速公路运营有限公司，广西 南宁 530022)

0 引言

中承式钢管混凝土拱桥因其造型优美、跨越能力大、造价较低，成为主跨200～400 m范围内的经典桥型，但同时也因为早期吊杆生产工艺和PE材料的不成熟，吊杆在使用过程中出现锈蚀破断的情况时有发生，甚至导致部分桥梁出现垮塌。为了维护安全的通车环境，保证中承式钢管混凝土拱桥的运营安全，进行周期性的吊杆更换尤为重要。

1 工程背景

三岸邕江特大桥为中承式钢管混凝土拱桥，主跨跨径270 m，拱轴系数m=1.167，标准矢跨比F/L=1/5。拱肋为等高等宽的钢管混凝土桁架，拱肋高5.6 m，宽2.4 m。吊杆采用双吊杆体系，全桥共有吊杆横梁21片，相应有吊杆84

根，单根吊杆均为61-φ7平行钢丝墩头锚吊杆。桥面总宽32.8 m，双向六车道，桥梁于1998年12月竣工通车(如图1所示)。

运营15年后，对吊杆进行开窗及内窥镜检查，发现部分吊杆钢丝已产生较为严重的锈蚀，经分析研究，决定对全桥吊杆进行更换。

图1 三岸邕江特大桥桥型布置图

2 施工控制的重点

施工控制的主要目的是进行动态控制，实现设计目标，确保在整个施工过程中，桥梁处于安全可控状态，尽量使得桥梁在吊杆更换前后的状态保持一致。

2.1 桥梁初始状态的确定

南宁地处低纬度，日照强烈，而大跨度拱桥对温度比较敏感，在前期阶段，应选择无风晴朗、桥梁空载的状态下，连续24 h进行测量，记录桥面标高、拱轴线型、吊杆长度等关键参数，并将各种参数和现场温度建立拟合的线形关系，修正温度对各监控参数的影响(见表1)。

表1 温差(10 ℃)对各吊杆更换时的相邻吊杆相对变形影响表(mm)

吊杆长度值不能按照设计图纸或者竣工图纸确定，因桥梁运营时间较长，实际状态与设计状态、成桥状态不一致，最好采用拉钢丝绳的办法测量真实长度，然后再计算无应力下料长度，保证工厂预制吊杆的长度合适。

2.2 计算控制值

安排监控实施单位对桥梁吊杆更换前的结构进行受力分析，掌握原结构及加固后结构在设计荷载作用下的整体受力情况，并与设计单位的计算结果进行比较、核算，评估加固后的结构安全性。根据施工方案进行吊杆更换期间的受力计算，评估施工安全性，并提出吊杆更换期间的拱肋、桥面变形控制值(见图2)。

图2 桥梁整体分析模型图

因桥面混凝土护栏在计算中仅仅作为荷载，不考虑其对桥面刚度的影响，施工中经常出现桥面实际变形值小于理论值的情况，对此应给予充分的考虑，若混凝土护栏横截面较大，应考虑其对桥面刚度的影响。

2.3 临时兜吊系统的安全验证

临时兜吊系统必须在最不利的工况下进行试验，测试其在拱背的抗滑移能力和工具吊杆锚固的可靠程度。通过现场试吊试验，表明兜吊系统有较大滑移，为确保吊杆更换期间的安全性，对原设计图纸进行了优化，仍在原桥结构上焊接了挡块。

2.4 动态控制过程

全桥84根(21组)吊杆更换，从跨中往河岸对称循环施工，跨中第一次循环施工4根(1组)吊杆，往后每次循环施工8根(2组)吊杆。每一次循环的基本流程如图3所示。

图3 吊杆更换的基本流程图

关键的工序为吊杆力的转移：第一次为旧吊杆力转移至临时兜吊系统，然后割断旧吊杆；第二次为兜吊系统的力转移至新吊杆，然后放松兜吊系统。施工过程中，需对吊杆索力、桥面线型进行监测，采用标高和内力双控，两者兼顾。这样既保证了桥面变形不超过理论计算值，又保证了张力在设计范围内。在旧吊杆拆除和新吊杆安装过程中吊点的高程变化及相邻吊杆吊点高程变化差值一般控制在±5.5 mm以内(见表2)。

表2 吊杆更换施工过程控制指标表

吊杆更换分五级加载和卸载，每一级均测试标高及应变(应力)的变化量，而且上下游吊杆索力相对偏差及纵向吊杆索力偏差总体上也应保持在±5%以内。

旧吊杆的钢丝分5次逐步割断，相应的工具吊杆分5级张拉(见表3)。

表3 旧吊杆拆除时体系转换张拉分级表

在吊杆更换前、旧吊杆割除、新吊杆张拉及吊杆更换完成后等几个阶段分别对桥面标高进行测量。当标高数据与计算结果出现较大差别时，应停止后续施工，找到原因并处理后方能继续施工(见图4)。

图4 桥面标高测点布置图(mm)

选择左拱脚、1/4拱、拱顶、3/4拱、右拱脚5个截面，进行施工过程的结构受力监测(见图5)。每侧拱肋5个测试截面，采用振弦式应变计测量。在张拉过程中进行数据测读时，原则上要求全部测试点同步读数。

图5 拱肋应力测点布置断面图(mm)

在施工过程中，吊杆索力采用千斤顶油表读数、振动频率法两种方法进行测试，互相校核，确保测量结果的准确性。在成桥状态下，所有吊杆都采用振动方法进行测量。

3 数据分析

3.1 桥面标高变化分析

完成全部吊杆更换工作后，静置约6 h，测得吊点位置的标高值作为终值。更换吊杆前，将全桥吊点位置标高测量值作为初始值。标高差值为正时，表示桥面上升；标高差值为负时，表示桥面下降(见表4)。

表4 吊杆更换前后桥面标高差值表(mm)

从表4数据可知，上游最大差值为12.1 mm，下游最大差值为12.7 mm，与跨径比值约L/20 000，考虑到吊杆更换前后温度、湿度及吊杆刚度不一致，表明整体桥面线形控制效果良好。

3.2 拱肋应力应变分析

拱肋应变计安设在钢管表面。吊杆更换前后的测试表明，应变计最大变化值较小，在10#吊杆更换过程中，最大应变变化为25με，对应的钢结构的应力变化值仅为约5.0 MPa。在吊杆更换过程中，拱肋受力完全满足要求。

3.3 吊杆索力变化分析

吊杆索力在吊杆更换前后实测值偏差一般不超过3%，有少数几根吊杆索力在吊杆更换前后的实测值偏离值超过5%，其中吊杆X2-2、X6-1、X7-1、X9-1、S18-1等5根吊杆均是更换前索力值小于更换后的索力值，但更换后的吊杆的索力值又与同横梁同侧的吊杆索力值相差很小，可以认为这些吊杆在更换前就存在索力偏小、同横梁同侧吊杆索力不均或是旧吊杆索力测试值偏小的现象，导致更换后这些吊杆索力变化较大，因而这几根吊杆实际上并没有发生索力严重偏离的情况，可以安全使用(见表5)。

表5 吊杆更换前后索力值表

4 结语

综合桥面标高、拱肋应力、吊杆索力等相关测量数据表明，通过施工控制，吊杆更换精度达到了预期的效果。桥面线形整体变化较小，虽然个别测点的标高变化达到12 mm，考虑到吊杆更换前后温度、湿度及吊杆刚度不一致，且绝对偏差约为跨径的L/20 000，可认为吊杆更换对大桥扰动较小，满足设计要求。控制截面实测应变与理论值较符合，新吊杆索力与理论值基本吻合。