下承式钢管混凝土拱桥吊杆更换设计与施工方法

钟婧如

（浙江交工集团股份有限公司设计院分公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

近年来，由于钢丝锈蚀引起吊杆的疲劳寿命下降，导致一些漂浮式拱桥发生坍塌事故，造成人员伤亡和经济损失，并产生不良的社会影响[1]。因此，漂浮式拱桥的吊杆服役性能是确保桥梁安全的重要工作。高强度钢丝具有较高的承载能力，同时，由于钢丝直径小，疲劳强度对锈蚀十分敏感，定期更换吊杆是维护这类桥梁服役安全的最主要途径[2-3]。

20 世纪90 年代建设了一大批漂浮式拱桥，吊杆的服役年限大多超过20 年，全国对多座此类拱桥更换了吊杆，为吊杆更换设计和施工积累了一定的经验。本文对某大跨度中承式钢管混凝土拱桥的吊杆更换工程，总结和分析吊杆更换设计和施工技术，并根据退役钢丝的锈蚀形貌，讨论钢丝的病害形式和原因，为同类工程积累经验，也为桥梁的管理和养护提供依据。

1 工程概况

本桥为跨度160m 的单跨中承式钢管混凝土拱桥，桥面为漂浮式结构体系。桥梁原设计荷载为汽-20 级，挂-100，人群荷载3.5kN/m2。拱肋采用高3.4m、宽1.75m 的桁架结构，上下弦杆用缀板连接为哑铃型断面，通过竖腹杆及斜腹杆组成空间桁架结构。其中，拱肋上下弦杆采用Φ750mm×14mm 钢管内灌C50 混凝土，腹杆均采用Φ300mm×10mm空无缝钢管。拱肋间设两道预应力混凝土横梁及五道钢管空间格构横梁。抛物线拱轴线的矢跨比为1/5。桥面采用高1.6m、长31.5m 的预应力混凝土吊杆横梁和25cm 厚普通钢筋混凝土实心预制车行道板，通过现浇湿接头将桥面板与横梁连成整体。

本桥吊杆采用高强镀锌钢丝外包PE 套管，其中1#吊杆规格为137Φ7，其余吊杆规格为91Φ7，采用墩头锚。吊杆间距为4.25m和5.5m两种。吊杆上端穿过拱肋下缘缀板预埋钢管，在下缘缀板顶部锚固。下端穿过桥面板及预应力横梁梁端预留孔后，锚固于梁端底面。横梁顶上25cm范围内预埋钢管护套。

本桥于2002 年建成，营运至今已20 年左右。根据检测结果显示，拱桥吊杆可能存在锈蚀隐患，考虑吊杆服役年限达到了20 年，为确保桥梁的服役安全，对桥梁进行吊杆更换。

2 吊杆更换设计与施工

2.1 新吊杆选型设计

为满足桥梁服役实际车辆运营的需求，新吊杆的承载力较原吊杆提高1.1～1.2 倍。从防腐性能和可更换性考虑，新吊杆选用环氧钢绞线吊杆，其中1#吊杆37Φ15.2，其余吊杆25Φ15.2，新制吊杆索承载能力相对原吊杆提高约1.2 倍（2#～25#吊杆）、1.17 倍（1#吊杆）。表1为既有吊杆和新吊杆的相关参数对比。

表1 新旧吊杆主要参数对比表

2.2 更换施工方法的比选

吊杆更换设计的原则是保持桥梁在施工前后以及更换期间的结构受力不变。在吊杆更换后，桥面线形以及吊杆张力与更换前基本一致。

目前，漂浮体系的吊杆更换主要有三种方法：临时支架法、临时兜吊法和桥面扁担梁法。临时支架法虽然安全可靠，但搭设支架具有工期长、施工成本高以及影响下桥通航等不足，较少采用。临时兜吊法是通过临时吊杆直接支撑吊杆横梁的荷载，待吊杆更换完成后再转移到新吊杆的方法。施工中不需要把横梁荷载转换到相邻吊杆，也是一种安全可靠的施工方法。当相邻吊杆的承载能力不明确时，不失为一种合理可靠的更换方法。桥面扁担梁法需要制作一跨临时桁架（或贝雷梁），将更换吊杆内力转移到相邻吊杆，更换过程中对相邻吊杆及横梁影响较大。该方法施工便捷快速，但需确保相邻吊杆增加承载后的安全性以及临时扁担桁架在更换吊杆过程中自身的强度和稳定性。表2为三种方法优缺点对比。

表2 吊杆转换方案的应用原理及优缺点对比分析表

为分析桥面扁担梁法的适用性，采用Midas Civil_2019有限元软件建立如图1计算吊杆更换过程中各吊杆的内力变化情况。结果如图2所示，表明每个工况均有比较大的安全储备，即使考虑既有吊杆的承载能力有所退化，也能保证桥梁的安全。

图1 主桥计算模型

图2 更换过程吊杆内力（最小安全系数为3.9）

2.3 更换施工工艺以及变形和应力控制要求

考虑拱肋为格构式钢管桁架，兜吊法施工拆装复杂，从施工简便性以及工期要求考虑，本次吊杆更换采用桥面扁担桁架更换法。在桥面设置支撑钢桁架，其支点设置在被更换吊杆相邻两侧横梁的吊杆锚固处，在钢桁架中间部位设置4根Φ40精轧螺纹钢筋作为临时吊杆，桥面支撑桁架示意如图3所示。

图3 桥面支撑桁架布置示意

以下对吊杆更换施工工艺提出几点建议，以供参考：

（1）本次吊杆更换以桥面标高一致为主，索力等值为辅的原则进行吊杆更换。更换施工过程中，横梁应力变化幅值控制在2.0MPa 以内，桥面高程变化幅值控制在10mm 以内。

（2）静定漂浮体系吊杆更换的先后顺序对结构受力影响不大，本次吊杆更换顺序主要从工期要求及桁架运输便捷程度考虑。

（3）吊杆更换需要试预压，本次预压荷载为设计荷载的1.1倍。

（4）吊杆更换前后，吊杆索力及横梁应力保持前后一致，误差控制在5%以内；桥面高程差控制在5mm以内。

（5）由于静定漂浮体系没有二道防线，施工风险大，张拉临时吊杆时需更加注重分级张拉，建议张拉按4～5级分级，保证更换过程的安全。

2.4 扁担桁架计算模型

扁担桁架是分担临时吊杆的施工临时设施，计算除了考虑满足承载能力要求外，还需着重注意结构的整体稳定性问题以及刚度要求。扁担桁架模型如图4所示，扁担桁架第一阶屈曲模态如图5所示。

图4 扁担桁架模型

图5 扁担桁架第一阶屈曲模态（λ=5.7）

扁担桁架整体稳定特征值λ不得小于4.0。

3 吊杆病害及分析

3.1 吊杆病害现状

经现场检测，本项目桥梁吊杆锚头、拱肋下方及底端锚固区存在多处油脂渗漏现象。吊杆拆除后可见到吊杆端部有轻微锈蚀，吊杆锚固区密封措施不到位。

3.2 吊杆病害原因分析

从前文描述可知，吊杆病害的原因主要包括以下方面：

（1）吊杆锚头为墩头锚的形式，该锚固形式受力集中，缺乏足够的抗疲劳性能，在车辆荷载的反复作用下结构容易受损。

（2）吊杆锚头防腐采用油脂材料，存在稳定性弱的局限性，并且经过长期使用后，油脂逐步流失。

（3）密封防水不到位，可见锚管积水。

（4）吊杆PE 防护套受损，外部的水经由受损部位进入内部，造成较为严重的水侵害。

4 结语

综上所述，本文结合某中承式漂浮体系钢管混凝土拱桥吊杆更换工程，阐述吊杆病害，给出设计原则及思路，提出一些具体的吊杆更换设计及施工要点。从实际应用效果来看，吊杆更换顺利进行，未发生安全事故，满足既定要求。