吊杆在桥梁工程中的应用研究

虞永杰，潘兴虎，龚梦琦，周静波，李登国，卢彭真

(1.舟山市交通工程质量监督局 舟山市 316000；2.浦江县交通集团投资公司 浦江县 322200；3.浙江临金高速公路有限公司 杭州市 310000；4.浙江工业大学 杭州市 310014)

1 引言

吊杆又称吊索，是系杆拱桥中把桥面系的恒载与活载传递到拱肋的关键受力构件[1]，也是悬索桥中连接悬索与桥面系的构件[2]。在系杆拱桥中，吊杆及其锚固区是连接桥面板及拱肋的重要构件，桥面板自重及车辆人群荷载通过吊杆传给拱肋，从而再传至桥墩等下部结构[3]；在悬索桥中，吊杆的作用是将桥面系的荷载传递给悬索，其一般用圆钢、眼杆或钢绞线绳制成，上端通过索夹与悬索连接，下端则与加劲梁连接。吊杆作为桥梁中的重要构件，在多种类型的桥梁中得到了广泛的应用[4]。随着我国经济实力不断提升，桥梁工程也得到快速发展，各式新型桥梁开始出现在实际工程中，吊杆的应用范围也不断扩大，同时，对于吊杆结构的缺陷、应用问题和后期养护也受到更多的关注[5-6]。

目前国内的吊杆一般采用柔性吊杆锚固体系或刚性吊杆栓接体系。在应用吊杆结构的桥梁类型中，网状吊杆拱桥在国外已得到较大推广，国内则在铁路桥中应用较多，公路桥在近几年虽然得到了一定应用但数量较少[7]；国内钢拱桥的吊杆往往采用冷铸锚式柔性吊杆，结构上没有太大的发展，欧洲则已经开始使用全焊钢吊杆[8]；近几年，国内成功在斜拉桥和悬索桥中应用了吊杆结构，三江市台江大桥[9]、广西桂林丽君桥[10]分别成功将吊杆应用在横向拱形钢塔斜拉桥和自锚式悬索桥中。

就吊杆的分类及其特点进行研究，探讨了吊杆结构在不同桥型中的应用和所存在的问题，并对吊杆在桥梁工程的应用中所存在的常见问题做了归纳和分析，为桥梁工程中吊杆结构的应用发展提供理论支持，同时提出建议和展望。

2 吊杆的常见分类

吊杆根据力学特点主要分为刚性和柔性吊杆。

(1)刚性吊杆：刚性吊杆主要由钢筋混凝土或预应力钢筋混凝土组成，其不仅承受拉力，在端部还受到局部弯矩，为了减小弯矩，往往增加横桥向截面尺寸从而提高横向刚度，同时为了减小纵向弯矩，往往在实际设计过程中控制其纵向截面尺寸。刚性吊杆与拱肋和桥面板两两固结大大增加了结构的整体刚度和整体稳定性，但是，在外界荷载作用下其变形能力较差，目前已较少采用。

(2)柔性吊杆：系杆拱桥中，柔性吊杆运用较多，索体主要材料为高强钢丝、钢绞线、平行钢丝线等，同斜拉桥的拉索相似，柔性吊杆不仅需要有良好的抗拉能力，而且在外界环境、荷载等作用下，具有低松弛、抗疲劳、耐腐蚀性能，与刚性吊杆不同，柔性吊杆变形能力较大，一般只承受拉力。如今，柔性吊杆一般采用工厂预制的方法，其制作成本低、精度较高、性能良好，在实际工程中得到越来越多的应用。

3 吊杆在拱桥中的应用

3.1 吊杆在系杆拱桥中的应用

系杆拱桥作为拱桥的一种，兼具梁与拱的受力特点，梁与拱通过吊杆相连接，在荷载作用下，结构呈现出梁受弯、拱受压的组合受力情况，充分发挥了两者的优点。系杆拱桥按照吊杆的位置可分为竖直吊杆、斜吊杆、网格系杆拱、异型系杆拱。

(1)竖直吊杆体系又称兰格尔体系，其一般布置较为均匀，受力清晰，易于控制张拉应力，整体刚度较小。

(2)斜吊杆体系又称尼尔森体系，主要用于大跨度和重荷载桥梁中，实际中运用较少。

(3)网格系杆拱桥主要特点为斜吊杆与其它吊杆交叉形成网格，较与前两种，其拱肋和梁所受弯矩较小，整体刚度较大，是一种非常新颖的结构形式，它为进一步提高系杆拱桥的跨径提供了可能。

(4)异型系杆拱最大特点是竖直吊杆布置在一斜面上，斜向受力，连接桥面板和拱肋。该体系主要适用于大跨度拱桥，同时具有造型优美，结构受力合理等优点。

不同类型系杆拱桥的示意图如图1所示。

图1 系杆拱桥分类

3.2 吊杆在钢管拱桥中的应用

钢管拱桥作为钢-混凝土组合结构中的一种，能够充分发挥混凝土的抗压性能和钢材的抗拉性能。中、下承式钢管混凝土拱桥桥型优美且轻盈，是近年来桥梁建设中发展较快的桥型。在中、下承式钢管混凝土拱桥中，吊杆结构属于重要的受力构件。吊杆上端固定于拱肋，下端固定于梁底。为避免人为因素对吊杆的损坏，吊杆下端往往安装有钢护管，管下安装有减振圈。有推力中承式钢管混凝土拱桥则通常采用钢管混凝土拱肋结构形式，并对拱脚区域进行外包混凝土。其吊杆采用钢筋混凝土或预应力混凝土结构，桥面系的一部分通过吊杆悬挂在拱肋下，另一部分用刚架立柱支承在拱肋上。吊杆结构的应用使有推力中承式钢管混凝土拱桥构件轻巧、造型美观、跨越能力强，已成为钢管混凝土拱桥的主要桥型并在我国得到广泛应用。

3.3 吊杆在钢系杆拱桥中的应用

钢系杆拱具有主梁高度小、重量轻、跨度大等特点，行车道可采用下、中或上承式，适用于大、中跨桥梁结构，工程上常用于跨越道路、河流等。与常规的系杆拱桥不同，全焊钢系杆拱桥是将钢吊杆、拱肋和钢系杆通过节点焊接的方式连接在一起组成承重结构，相对于采用柔性吊杆的系杆拱，具有刚度大、稳定系数大的特点。此外，由于吊杆可采用圆形钢棒或钢管等非钝形截面，且采用焊接工艺，使用圆钢管吊杆大大降低了吊杆承受的风荷载，减小了涡振效应，而且吊点构造简单，外形美观，又节省了吊杆张拉工艺，缩短了施工工期。

4 吊杆在其它类型桥梁中的应用

4.1 吊杆在斜拉桥中的应用

拱塔斜拉桥是近年出现的一种新桥型，该桥型在结构体系等方面有较大创新，技术先进，构造复杂，造型美观，通过拱、梁、拉索、吊杆的空间几何结构的组合营造极强的立体感，有很强的地标性。福建省三江市台江大桥是一座横向拱形钢塔斜拉桥，其桥塔为横向拱状，在钢拱塔中部设置水平吊杆,水平吊杆中间连接竖向吊杆,并通过张拉竖吊杆，用水平吊杆产生的张拉力来平衡钢拱塔的水平推力。在此类拱塔组合结构体系中，竖吊杆的张拉是对钢拱塔变形和应力的控制、拱形钢塔结构稳定性、安全性的关键,也是整个桥施工过程的重点。分批张拉竖吊杆能够较好地控制钢拱塔的应力,并且可以进一步调整竖吊杆的张拉来改善钢拱塔的受力。竖吊杆的张拉不仅在施工阶段控制着钢拱塔的应力变化及形变，在成桥及运营阶段对钢拱塔的受力也有较大影响。

4.2 吊杆在悬索桥中的应用

悬索桥的吊杆作为传力构件，其连接着加劲梁和主缆。因此，吊杆的性能与悬索桥的安全运营息息相关。自锚式悬索桥恒载主要由主缆和吊杆承受,通过吊杆传至主缆,主缆锚固在锚旋横梁上,钢桁架加劲梁亦埋入锚碇横梁内,锚碇横梁通过板式橡胶支座放置在桥台上,加劲梁水平力与主缆水平力平衡，因此自锚式悬索桥的锚碇可以设计得很小,既经济又美观。自锚式悬索桥中对全桥吊杆进行循环张拉,从而进行吊杆张拉和索力调整，同时顶推塔顶索鞍，当吊杆长度不足时还需采用接长等特殊措施。尽管该方法通过精细化计算和严格施工控制可以有效减少吊杆张拉次数,但在实际施工中效果有限,循环张拉往往要4次以上，任务繁重，其结构以及施工人员的安全也存在隐患。通过顶升主梁使其达到预定状态,吊杆就能够无应力顺利安装，吊杆安装落位后再落梁，能够逐步使吊杆受力完成体系转换至成桥状态。长沙市湘江三汊矶桥采用该技术且取得成功,大大减少了张拉次数,为自锚式悬索桥吊杆的安装取得了良好的实践经验。

5 吊杆技术在桥梁工程应用中存在的问题

吊杆在桥梁结构体系中扮演着重要的承重构件作用，其服役过程中的质量问题直接关系到桥梁承载能力问题。事实上，吊杆构件却是这几类桥梁结构中耐久性较为薄弱的部分。近年来发生的一些桥梁破坏事故中，有不少为吊杆体系的破坏所导致。吊杆在实际工程中经常会发生护套开裂老化、索体锈蚀和锚固系统病害等问题。现对吊杆使用过程中的主要病害及影响因素进行阐述。

5.1 吊杆防护病害

吊杆护套分为金属护套和有机护套两类，金属护套的主要病害类型包括因环境因素引起的锈蚀及内部水泥砂浆的开裂，有机护套的病害类型主要为因材料老化、外荷载及长期高应力的作用引起的开裂。成因主要有：

(1)索体的应力状态。系杆拱桥中，吊杆需要承受巨大的拉应力，在拉索工作时，护套也同样处于高应力状态。长此以往，分子间的结合能力降低，从而导致护套的开裂，且开裂形状以环状为主。

(2)防护材料的收缩效应。灌浆水泥在凝固过程中自身会发生收缩，在施工过程中若未对混凝土进行预压，砂浆容易开裂；防护材料的收缩同样是造成有机护套开裂的重要原因。

(3)拉索的松弛和防护材料的变形。索体的长期受拉状态将导致金属材料的松弛，从而造成索类构件的变长，其防护材料也因此被拉裂。

(4)交变荷载导致的材料变形。在交变荷载的持续作用下，索体的伸长量不一，不仅会破坏防护材料的整体性，也会导致吊杆与锚固系统连接处出现转角，进而造成开裂现象。

(5)温度变化。吊杆的钢索和防护材料在外界温度作用下会发生热胀冷缩，但由于两者的热膨胀系数相差较大，温度作用下的变形不协调，从而发生开裂破坏。

(6)材料的老化。PE护套在外界紫外线和温度作用下，极易发生老化，工程中虽然掺入抗老化剂，在一定年限后其表面依旧会出现裂纹。

(7)护套表面的划伤。外层防护特别是有机护套在制作、运输、安装等过程中往往会出现划伤现象，这会进一步导致内部应力分布不均匀，从而导致开裂破坏。

(8)金属护套在外界雨水、汽车尾气等作用下，金属套管表面油漆易发生腐蚀剥落从而造成破坏。

5.2 吊杆索体病害

实际工程中，系杆拱桥吊杆索体腐蚀主要是由护套的开裂失效导致的水汽、氧等物质与索体接触发生的电化学反应产生的锈蚀作用导致。其中，腐蚀主要分为应力腐蚀和锈蚀作用。从一系列事故看来，吊杆的破坏往往是索体的疲劳和锈蚀共同作用下所引起的。荷载交变性导致的疲劳导致了防护措施的有效性降低，腐蚀又降低了索体的抗拉强度。此外，外界环境和吊杆的应力大小也会对吊杆腐蚀产生影响。

5.3 锚固系统病害

锚固系统的主要病害为锚头渗水和锚具的锈蚀两大类。渗水原因主要有：护套开裂破坏，从而雨水进入造成锈蚀破坏；吊杆与桥面的梁端结合部存在着缝隙导致的锚头进水；索体与锚具相连接出现的裂缝导致漏水。除此之外，当出现未设置保护罩或其密封不牢固等问题，也会导致锚具的锈蚀。锚具的锈蚀可能直接导致整个锚固系统的失效，进而造成吊杆与桥面板的脱离、桥面板损坏、桥梁结构的失效等，甚至出现桥梁垮塌事故。

6 结论

(1)通过对吊杆结构的详细阐述，包括吊杆的分类、吊杆在不同桥型中的应用，以及吊杆技术在桥梁工程应用中常见的病害以及预防措施，主要在系杆拱桥、钢管拱桥、钢系杆拱桥、斜拉桥、悬索桥中的应用，吊杆护套的病害，吊杆设计使用寿命较短等，为吊杆技术在桥梁工程中的应用技术提升提供理论支持。

(2)通过对系杆拱桥、悬索桥等桥型吊杆结构的特点、受力与关键技术进行介绍，阐述了其工作机理，证明了如全焊钢系杆拱桥、自锚式悬索桥在桥梁工程中具有很大的适用性和先进性。因此，对此类桥梁的设计与研究非常重要。

(3)随着桥梁运营时间的增长，吊杆结构容易出现病害，为保障桥梁的安全运营，需对病害进行准确分析，并在其基础上采用合理措施进行有效处治。同时，为了提高桥梁的刚度、方便现场施工、增加结构耐久性，仍需研究出更为先进的吊杆施工工艺。