铰接式吊杆在旧桥吊杆更换中的应用

铰接式吊杆在旧桥吊杆更换中的应用

肖开军

1.广东和立土木工程有限公司 广东广州 511400

2.广东省交通规划设计研究院股份有限公司 广东广州 510507

摘要：主要阐述了一种新型的铰接式吊杆体系，具有满足旧桥在吊杆更换时要求新吊杆结构具有不损伤梁体原结构、不压缩通航净空、不突出拱肋的限制条件，可实现快速拆除旧吊索并更换新索的优势。通过对吊杆拱桥中常用的各种拉索结构的对比分析，结合悬索桥的索体结构形式，提出一种新的吊杆体系，后续的不断优化设计，解决了其不足之处，提高了新吊杆体系的使用性能。

关键词：铰接式；新吊杆；吊杆更换；叉耳；关节轴承

0 引 言

钢管混凝土吊杆拱桥从20世纪80年代末开始在我国出现以来，由于其造型优美，跨越能力强的优势得到了工程界广泛认可，随着施工技术和材料工艺的进步更促进了吊杆拱桥的飞速发展。

然而随着桥梁的日益老化，运量的不断增加，早期兴建的钢管混凝土吊杆拱桥的局限性逐渐暴露出来，加之后期缺乏必要的养护和维修，环境的不断变化等诱因，使得钢管混凝土桥梁病害时有发生。

1 工程概况

高明大桥位于佛山市高明区，是广海线西线上横跨西江的一座特大桥，于1991年11月建成通车。2005年，在紧靠旧桥的两侧平行各建一座新桥。

大桥共13跨，跨径布置为（78.5+4*82.6）m上承式钢筋混凝土肋拱桥+（2*110）m中承式钢管混凝土吊杆拱桥+（5*79+68.2）m上承式钢筋混凝土肋拱桥。全桥吊杆数量为36根，旧吊杆规格为5-106平行钢丝，钢丝强度为1600Mpa，破断力为3492KN，锚头采用现场镦头锚。主跨吊杆连接拱肋和横梁，横梁为预制预应力混凝土梁，预制T梁搁置在横梁上，整体化层为现浇钢筋混凝土。

2 吊杆方案选择

原吊杆由DM5-109墩头锚与高强平行钢丝（Rby=1600 MPa）组成，拱肋及横梁的预埋管内径为 100 mm，吊索破断力为3492 KN。锚头与拱肋或横梁采用固结形式，即吊杆穿过拱肋、横梁的预埋管孔道锚固后，在孔道内灌注水泥浆，将吊杆两端及锚头固封在拱肋、横梁内。

该结构形式缺少后期吊杆更换的长远考虑，导致后期吊杆更换施工难度很大，主要问题归纳如下：

（1）吊杆在拱肋和梁端有预埋钢管，但管径较小（内径100mm）。由于本桥拱肋安全系数较低，专家一致认为新吊杆安装不得在拱肋上扩孔，不得削弱拱肋原结构截面积。横梁上的预留管道外壁与布设管道两侧的预应力钢绞线距离30mm，为避免扩孔破坏预应力钢绞线，亦不能在横梁上扩孔。

（2）高明大桥跨越西江，航道等级为3000吨级I级航道，航道通航净空为22m，其净空计算至横梁底，完全无富余量，根据航道管理部门规划，该航道提升在即，为确保通航及桥梁的安全性，要求新吊杆不得突出梁底，不得压缩通航净空。

（3）目前市场上的吊杆索体主要分为LZM 型冷铸锚式钢丝吊杆、挤压锚钢绞线吊杆、夹片式钢绞线吊杆、钢拉杆。根据本桥原吊杆性能要求，这四种吊杆对应的锚头规格型号为冷铸锚LZM5-109（Rby=1 670 MPa），挤压锚GJ15-15型，夹片锚M250-15 型，钢拉杆GLG-90 型10.9级高强钢棒刚性吊杆。

表1 吊杆锚固体系规格型号技术参数对比表

通过对以上吊杆锚固体系规格型号技术参数进行分析对比可以看出，目前市场上不小于同等原吊杆公称破断索力的成品索结构吊杆锚头尺寸均大于原预埋管孔道，无法使用成品索进行更换。只有墩头锚、夹片锚形式拉索和钢拉杆能满足穿过预埋管的要求，

墩头锚因性能较差，目前市场已经淘汰停产。夹片锚则突出横梁及拱肋太多，无法满足通航净空要求及景观要求。只剩下钢拉杆可以选择。但钢拉杆存在刚度大，抗疲劳性能差、不适应吊杆的自由摆动的不足，特别是两侧的短吊杆， 受力复杂，易产生疲劳损伤破坏。

3 吊杆方案分析及改进措施

短吊杆受力特殊，此处也以最不利的短吊杆进行分析。短吊杆位于拱肋与桥面系的交接处，此处集中了拱肋的温度内力和变形，桥面则受到变形的附加拉伸，短吊杆也因此承受较大的纵向变形，剪切变形。短吊杆的下端则处于反复弯曲状态，严重影响短吊杆的抗疲劳性能[1]。

顾安邦[1]经过研究发现：短吊杆的动荷载冲击影响要比长吊杆大甚至两倍以上；而桥面平整与否和车速快慢又直接影响着动荷载冲击作用的大小，冲击作用大也会导致吊杆应力幅增大，对吊杆的疲劳性能不利。孔庆凯[2]通过对宜宾南门大桥短吊杆断裂事故的研究认为，温度、腐蚀和疲劳是导致短吊杆破坏的主要原因。李元兵[3]研究了桥面振动对拱桥短吊杆截面应力不均匀分布规律的影响，认为桥面振动是产生吊杆变幅循环应力的主要原因之一。因此，提出为改善短吊杆的受力行为可以通过增加短吊杆长度，增大截面面积，短吊杆两端铰接等方式，降低短吊杆的固有频率。另外在设计过程时也应考虑吊杆的动力效应。

根据以上研究分析，结合悬索桥的结构特点，提出了两端采用叉耳铰接的吊杆，同时进一步采取在叉耳内设置关节轴承，上下钢拉杆纵横向设置限位的措施进行改进优化。

具体优化措施如下：

（1）高明大桥为全漂浮体系桥，为满足吊杆纵向较大位移变化，两端采用叉耳铰接的结构模式。该优化能将拱肋的温度内力和变形与桥面变形的附加拉伸，产生的较大的纵向变形，剪力变形转为钢拉杆的轴力，消除吊杆剪切变形的产生。同时加强在材料上加强叉耳局部受力，采用实体有限元分析计算（见图1），考虑局部塑性屈服材料42CrMo 屈服点设置540MPa,满足3倍安全储备。

图1 叉耳有限元分析

（2）为满足吊杆其他方向的转动位移及微动变形，在叉耳设置了向心关节轴承，向心关节轴承能提供2度的转角，能很好消除转动引起的应力与变形，向心关节轴承具体参数见图2。

图2 向心关节轴承参数表

（3）上下钢拉杆通过与拱肋下缘或横梁上端固结成整体的限位装置，确保钢拉杆不承受其他方向的荷载，只承受轴向拉力。具体做法是由尼龙材质组成的横向约束螺母与不锈钢材质的横向约束套组成的限位装置，与拱肋下缘或横梁上端通过焊接或植筋连接方式与拱肋或横梁形成整体，钢拉杆受到其他方向的荷载后，首先接触缓冲螺母，再将荷载传递至刚度很大的拱肋或横梁上，消除钢拉杆的变形，确保钢拉杆受竖向拉力。

铰接式吊杆具体结构图示见图3。

图3 刚性拉杆结合柔性索铰接式吊杆体系的结构形式

4 结 语

通过市面上常见的吊杆进行分析比较，结合悬索桥拉索的结构特点，创新性地发明了带叉耳的吊杆体系，再根据该吊杆体系的不足进行优化，采用多种措施解决吊杆体系的不足之处，在旧桥更换吊杆中实现避免扩孔带来损伤桥体原结构的风险，解决了旧吊杆孔道小、不允许占用通航净空的苛刻条件下无法更换吊杆的难题。为旧桥更换吊杆提供了一个可借鉴的吊杆体系。

参考文献：

[1] 顾安邦, 徐君兰. 中、下承式拱桥短吊杆结构行为分析[J]. 重庆交通大学学报, 2002, 21(4): 1-3

[2]　孔庆凯.大跨中承式拱桥短吊杆结构行为研究[ D].成都:西南交通大学土木工程学院,2003.

[3] 李元兵, 张启伟. 振动对拱桥短吊杆截面应力分布的影响[J]. 同济大学学报(自然科学版), 2009, 37(2): 159-163

[4] 李文琪，贺立新．对宜宾小南门桥事故的思考［J］中国公路，2002(22):143 － 145

作者简介：肖开军（1986-），男，大学本科，路桥中级工程师，从事公路养护施工管理工作。

基金项目：广东省交通运输厅科技项目（科技-2017-02-015）。