荷塘西江大桥下承式体外系杆拱桥吊杆更换设计

袁霖宇

（广东省交通规划设计研究院股份有限公司）

0 引言

吊杆是系杆拱桥的重要结构之一，吊杆的安全性、耐久性和适应性关系到桥梁结构的安全与正常使用。吊杆使用年限一般不超过15 年，而我国早期系杆拱桥设计对吊杆的可更换性考虑不足，在吊杆上下锚头及预埋管内填充水泥浆。同时受技术条件限制，防腐水平较低，导致吊杆表面腐蚀严重。为确保桥梁的安全正常运营，系杆拱桥的吊杆应定期检查和更换。

1 工程概况

江门市荷塘西江大桥位于江门市蓬江区荷塘镇境内，该桥于1999 年8 月建成通车。主桥为跨越西江的一座3×110m 下承式体外系杆拱桥。拱的推力由两端锚固在桥墩上的系杆承受，自平衡体系，主拱拱肋顶段采用单箱单室结构，两拱脚处由单肋分叉为双肢拱肋，拱肋嵌入桥墩，形成无铰拱。主桥下部为空心矩形墩，钻孔灌注桩基础。桥面铺装共设置一层8cm 厚的钢筋混凝土，桥面横坡为双向1.5%。设计荷载为汽-20 级、挂-100。

全桥共42 对84 根吊杆。吊杆原设计采用高强钢丝束，外层由镀锌钢管作为保护层，内层钢绞线之间灌有40 号水泥浆，吊杆的防护钢筋分段设置，并用外接头连接起来。

经检测后得知，全桥大多数吊杆存在油漆脱落锈蚀现象；吊杆钢管连接器多处锈蚀、损坏、脱空，导致钢绞线外露；共13 处吊杆上锚头与拱肋下缘结合处，出现混凝土破损、露筋锈胀开裂；部分吊杆下锚头出现混凝土封锚不密实、下锚头锈蚀的情况。鉴于拱桥使用年限已超过15 年，且吊杆病害问题较为严重，加固过程中考虑更换全部吊杆及锚头，同时解决吊杆耐疲劳、可检可修可换的问题。

2 建模计算分析

为了评价荷塘西江拱桥的吊杆受力状态，从以下两个方面对该桥进行检算：

情况1：原结构复算，即全部构件采用原结构尺寸、材料强度，验算吊杆部位在原设计荷载下（汽车-20 级，挂车-100）是否满足原设计规范（《公路桥涵设计通用规范》（JTJ 021-89）、《公路钢筋混凝土桥涵设计规范》（JTJ023-85））的要求。

情况2：考虑损伤折减后的计算，即根据《公路桥梁承载能力检测评定规则》（JTG/T J21—2011），考虑桥梁现状各构件的损伤，采取引入桥梁检算系数、承载能力恶化系数、截面折减系数和活载修正系数对桥梁承载力进行评定。验算吊杆部位在原设计荷载下是否满足原设计规范的要求。

利用midas-civil 桥梁有限元软件进行算分析。全桥采用3D 空间杆系模型，考虑边跨对中跨的受力影响，建立40m+（3×110）m+50m 五跨模型。车行道T 梁、人行道纵梁、人行道板按实际重量加载，栏杆、桥面铺装作为二期恒载加载。

计算模型如图1 所示。

原吊杆截面设计为110 根强度为1600MPa 的φs5高强钢丝，吊杆截面面积为2160mm2。计算结果如表1 所示。

图1 全桥3D 空间杆系模型

表1 原结构吊杆计算结果汇总（考虑折旧损伤）

计算结果显示，原设计及考虑折旧损伤后，吊杆应力安全系数均大于2.5，满足原设计规范要求。原设计及考虑折旧损伤疲劳应力幅也满足原规范设计要求，但考虑损伤后，应力幅增大，疲劳寿命降低。

3 吊杆更换设计

3.1 设计原则

⑴更换吊杆时必须保证桥梁的结构安全，并尽量不损坏桥梁其它部位。更换吊杆后桥梁的总体性能不会降低，适当提高吊索强度安全系数，满足原设计要求和今后的运营要求；

⑵新吊杆应进行改进设计，加强吊索防腐蚀构造，避免重复同类型病害，并且应可以方便地再次更换；

⑶方案应有较好的经济性，便于实施，具有良好的可控制性和可操作性。

3.2 吊杆选择

考虑到拱肋、横梁的预留孔较小，新吊杆选用锚头结构尺寸较小的GJ 钢绞线整束挤压吊杆体系。新吊杆具备下述特点：

⑴采用两端整束挤压锚固钢绞线，具有锚固安全可靠、张拉调索方便的特点；

⑵锚头结构紧凑，外径小，其锚头尺寸比冷铸锚小30%以上，适合本项目拱肋、横梁预留孔较小的特点。

⑶钢绞线在索体内隔离防腐，离腐蚀性能优越，抗振性能好，疲劳性能好。对于本桥结构体系而言，可保证结构耐久性。

最终新吊杆考虑适当提高吊索强度安全系数，选用1860 级GJ15－15 钢绞线整束挤压吊杆（如图2 所示），单根吊杆破断力需大于3900kN。原结构横梁内埋有钢套管，套管外径为150mm，GJ15－15 钢绞线吊杆端头直径为140mm，刚好尺寸适应。

经计算分析，新吊杆应力安全系数达到3.42 以上。

图2 1860 级GJ15－15 钢绞线立面图

表2 更换后吊杆计算结果汇总

图3 吊杆更换兜吊系统示意图

4 施工工艺

4.1 施工方案选择

本次加固设计更换全部吊杆，由于本桥整体拱肋刚度较弱，全桥无纵梁结构，车行道板支撑于横梁上，横梁吊于左右两吊杆间，故吊杆更换宜采用兜吊系统进行更换。

兜吊系统是吊杆更换时旧吊杆拆除后承受桥面荷载的受力机构，也是旧吊杆拆除过程中将旧吊杆索力转移至临时吊杆，及新吊杆安装过程中将临时吊杆力转换到新吊杆的体系转换机构, 转换过程中临时吊杆张拉千斤顶与吊杆张拉千斤顶配合使用。

结合本项目特点，兜掉系统由拱上平台、抗滑索、上托梁、下托梁和临时吊杆构成。

4.2 施工工序

图4 吊杆更换施工工艺流程图

吊杆更换施工工序为：施工准备→兜吊系统安装→旧吊杆拆除→新吊杆安装→新吊杆张拉→新吊杆防护。更换施工从跨中往两端的顺序进行。

吊杆更换施工的关键之一就是对吊杆力的控制，为了确保吊杆更换达到预期目标，更换过程中由专业监控单位在更换全桥吊杆之前、更换完成之后以及调索完成之后三个时间点，用高精度专业仪器对桥面系标高及全桥吊杆索力进行监测，以实现对施工过程的实时监控。以吊杆力控制为主，桥面线型控制为辅。

5 结语

由于原设计因旧规范和理念存在一定局限性，原吊杆的可更换性和耐久性较差，导致吊杆更换因旧预埋套管限值吊杆直径，GJ 钢绞线整束挤压吊杆能很好适应此种状况，不仅提高吊杆安全储备和防腐性能，还方便后期调索及更换。

按照本文的设计方案和施工流程，该桥已于2017年9 月顺利完成吊杆更换。更换后吊杆受力状态良好，桥面线型满足设计要求，可为同类桥型吊杆更换和同类型临时兜吊系统的设计、施工提供借鉴。