下承式刚性系杆拱桥吊杆更换方案比选

熊 杰

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430052)

1 引 言

在我国目前高速公路、国省干线公路以及城市道路桥梁中，下承式系杆拱桥由于其造型优美、建筑高度小、跨越能力大等独特的结构特性而被广泛采用。吊杆是系杆拱桥的重要传力构件，对系杆拱桥的运营安全至关重要。早期建设的部分系杆拱桥在运营多年后，由于桥梁养护不及时、灾害、超载、吊杆或锚具锈蚀等系列原因，造成吊杆安全性能降低，甚至出现桥梁垮塌等安全事故，如2001年宜宾小南门大桥坍塌以及2007年常州运村大桥垮塌等事故均与吊杆相关。对于系杆拱桥，吊杆更换是该类桥型需要面对的重要问题之一。

以下承式刚性系杆拱桥为研究对象，提出了偏保守的临时吊杆更换方法；由于该桥采用刚性系杆，系杆本身具有较大的刚度，提出采用无辅助支撑的直接更换方法，并对两种更换方法进行对比分析，论述两种方法各自的技术特点，比选出更佳的吊杆更换方法。

2 工程概况

苏州市S604省道二干河大桥主桥上部结构采用刚性系杆拱桥，计算跨径为60 m，拱轴线为二次抛物线，矢跨比为1/5.357 1，矢高11.2。拱肋和系梁均采用箱型截面，拱肋高1.6 m，宽1.3 m，系梁高1.7 m，宽1.3 m，顶板、底板和腹板厚均为0.25 m。系梁至拱脚段时渐变为高2.2 m的矩形截面，吊杆间距为5.0 m。横桥向采用两片拱肋和系梁组成，净距为15.5 m，中心距16.8 m，桥面系总宽为18.1 m。两拱肋之间共用3根高1.4 m，翼宽0.7 m的T形风撑联接，系梁横向之间由端横梁和中横梁相连，横梁间距5.0 m。

管养单位在日常巡查中及定期检查中发现，吊杆钢护筒及上下垫板多处严重锈蚀、破损，吊杆内部钢丝渗水，吊杆损伤对桥梁结构状态造成不利影响，并且会威胁结构安全。为了保证结构安全，恢复结构的设计内力状态、变形状态，需要对吊杆进行更换。

3 吊杆更换原则

(1)吊杆更换施工过程中结构要安全、可控，不得因为更换吊杆而使桥梁产生结构病害。

(2)吊杆更换完成后，基本不改变桥梁结构的现状受力状态与线形。若需通过调索使结构内力和桥梁线形进入拟定的设计状态，通过调索后的结构实际内力状态与结构设计状态应基本相符合。

(3)吊杆更换方案应具有较好的经济性，具有良好可操作性性与可控制性，便于现场实施。

4 吊杆更换方案

基于以上原则，提出采用临时吊杆法，即采用临时吊杆进行旧吊杆力与新吊杆力的转换，该法具有广泛的适用性，是目前系杆拱桥吊杆更换常用的方法之一。考虑该桥系杆采用预应力混凝土箱型结构形式，本身具备较大的抗弯刚度，具有采用无辅助支撑直接更换法的先决条件。

4.1 临时吊杆更换法

目前，对于系杆拱桥吊杆更换，临时吊杆法是普遍采用的方法，即在吊杆更换施工过程中采用临时吊杆替代原有吊杆。临时吊杆体系由4根精轧螺纹钢，拱上2根锚固横梁、系梁底部2根拖梁及相应的锚固构件组成，临时吊杆张拉采用在拱顶张拉。

换吊杆施工过程主要分为临时吊杆张拉与旧吊杆卸除、新吊杆张拉与临时吊杆卸载两大步骤。通过临时吊杆张拉，原吊杆割除转移原有吊杆内力，在新吊杆安装就位后，通过新吊杆张拉、临时吊杆卸载将原有吊杆内力转移到新吊杆上。吊杆更换施工流程如下。

(1)搭设工作平台、安装临时吊杆等准备工作，完成系梁、拱肋等标高初始数据采集工作；

(2)逐级张拉临时吊杆，逐级切割旧吊杆钢丝，在逐级张拉与切割过程中，注意观察拱肋及系梁标高变化；

(3)旧吊杆切断后，拆除旧吊杆及其锚固系统，安装新吊杆及其锚固系统；

(4)分级张拉新吊杆，分级卸载临时吊杆，以6#吊杆更换为例，在吊杆更换过程中，计算吊杆更换过程中结构应力及位移变化，计算结果如图1、图2所示。

图1 6#吊杆更换过程中对应吊点处拱肋与系杆竖向位移变化曲线

图2 6#吊杆更换过程中对应吊点处拱肋上缘与系杆下缘应力变化曲线

理论分析结果表明，采用临时吊杆法更换6#吊杆，在更换过程中，拱肋及系梁最大位移变化不超过1 mm；拱肋截面上缘以及系杆截面下缘最大应力变化不超过2 MPa，相对于成桥状态下结构压应力储备，存在较大的安全富裕度。因此，采用临时吊杆法更换6#吊杆结构始终处于受力安全状态，且采用该方法结构安全储备高，是一种偏保守的更换方法。

4.2 直接更换法

本桥采用刚性系杆拱桥体系，吊杆锚固于系梁杆内，由于系梁本身有较大的刚度，则存在直接更换吊杆的可能性。不同于临时吊杆法，直接更换吊杆方法不需要临时吊杆等临时支撑措施，充分利用结构既有承载能力，直接进行旧吊杆拆除与新吊杆安装，并能够保证整个更换施工过程结构处于安全可控状态。

对于刚性系杆拱桥，单根吊杆直接拆除后，系杆和拱肋在相应拆除吊杆处将产生竖向位移，系杆与拱肋截面将产生拉应力，当拉应力超过结构自身预压应力后且达到材料抗拉强度，则会产生结构裂缝引发结构病害。因此，采用直接更换法给结构带来的不利影响明显大于临时吊杆更换法。采用直接更换法更换吊杆的关键在于控制旧吊杆直接拆除后拱肋和系杆的结构受力状态处于安全范围内，必须从理论上论证该方法的适用性，确保更换过程中结构安全。

以6#吊杆更换为例，计算6#吊杆完全拆除后对结构受力性能的影响，计算结果如图3～图5所示。

图3 6#吊杆拆除对拱肋及系梁变形影响曲线图

图4 6#吊杆拆除对拱肋及系梁应力影响曲线图

图5 6#吊杆拆除对其余吊杆力影响直方图

理论分析结果表明，6#吊杆拆除对拱肋、系梁变形与应力以及吊杆索力变化影响具有以下特点。

(1)6#吊杆拆除后拱肋变形向上、系梁位移向下，且6#吊杆处系梁及拱肋变形最大，系梁最大向下位移约7 mm，系梁相邻吊点间相对位移变化最大约2 mm，对桥面受力安全影响是可以接受的。

(2)6#吊杆拆除后对其邻近吊杆力的影响较大，远离6#吊杆的吊杆力影响较小。经计算，成桥状态下5#、7#吊杆力为850 kN，6#吊杆拆除后，吊杆力增加至1100 kN，增幅为29%，吊杆力仍处于安全范围内。

(3)6#吊杆拆除后，对应吊点拱肋截面上缘以及系梁截面下缘将产生拉应力，且该处产生拉应力最大，远离拆除吊杆拱肋及系梁应力变化较小，6#吊杆拆除对该处拱肋截面上缘以及系梁截面下缘受力影响最不利，其中，拱肋最大应力变化为4.54 MPa，系梁最大应力变化3.95 MPa。经计算，成桥状态下6#吊杆处拱上缘压应力为8.63 MPa，6#吊杆处系梁压应力为4.15 MPa。因此，6#吊杆拆除引起拱肋及系梁截面拉应力均小于截面本身压应力储备，截面仍处于受压状态。因此，采用直接更换法更换6#吊杆在受力上是安全可行的。

4.3 方案比选

采用临时吊杆法与直接更换法相比，在结构受力特性上，采用临时吊杆法对结构的受力影响很小，更换过程中施工控制难度低，结构受力状态更安全。采用直接更换法拆除6#吊杆后，对结构受力产生一定不利影响，但最不利截面仍处于受压状态，结构受力仍处于安全可控状态。在施工工艺上，采用临时吊杆法需要设置临时吊杆以及在拱顶设置三角垫块等辅助措施，施工工艺较繁琐；而采用直接更换无需设置临时吊杆及三角垫块等，直接切断旧吊杆安装新吊杆，施工方便快捷，对于大规模吊杆更换，该方法可显著减少工期，降低施工成本，具有显著的经济性。因此，在安全性能够得到保证的前提下，该桥采用直接更换法可作为吊杆更换更佳的选择。

5 结 论

就下承式刚性系杆拱桥吊杆更换提出临时吊杆法与直接更换法两种方法，并作出对比分析，主要得出以下结论。

该桥采用临时吊杆法进行吊杆更换，吊杆更换过程对结构受力性能影响较小，且结构存在较大的安全富裕度，安全可靠，但在施工工艺上需要设置临时吊杆等辅助措施，是一种偏保守的更换方法。

该桥采用直接更换法进行吊杆更换，吊杆更换过程对结构带来的不利影响要大于临时吊杆法，6#吊杆拆除后，拱肋以及系梁最不利截面仍处于受压状态，在结构受力方面，采用直接更换法是切实可行的。

直接更换法在施工工艺方面，无需设置临时辅助设施，施工工艺简单，方便快捷，具有显著的经济性，对于该桥吊杆更换是一种更佳的更换方案。

采用直接更换法进行吊杆更换的关键在于控制旧吊杆拆除后结构受力处于安全范围内，该方法是合理可行的，取得的效果十分明显，对于其他类似桥梁可借鉴参考。