刚性吊杆系杆拱吊杆更换的设计与计算

沙林

常州市交通规划设计院有限公司 江苏常州 213022

摘要

刚性吊杆系杆拱广泛建设于上世纪末期及本世纪初期，目前大多数均已达到其吊杆使用寿命，更换吊杆在所难免。刚性吊杆系杆拱受力复杂，吊杆内力难以直接监测，吊杆更换存在较大的不确定性，需要结合有限元模拟计算与现场监控，提高更换吊杆的安全性与成功率。

关键词

刚性吊杆系杆拱 更换吊杆 有限元模拟

1. 引言

系杆拱具有无水平推力、承载截面高度低、造价相对低廉等优点，在航道桥、净空受限的跨线桥、铁路桥中运用广泛。吊杆是系杆拱传递荷载的重要构件，主要分为刚性吊杆和柔性吊杆两类。刚性吊杆通过在拉索结构外套钢管，与拱肋、系杆刚性连接，从而形成索体受拉、钢管受压的复杂受力结构，相比柔性吊杆其刚度大、整体稳定性好，吊杆冗余度高。在系杆拱发展的早期阶段，市场上成品拉索品种少、价格高、受力性能一般，因此大量的系杆拱选择了刚性吊杆，用预应力钢绞线作为拉索，外套钢管。

由于系杆拱建设初期受到技术条件和建设经验的限制，刚性吊杆在防水、防腐、焊接质量、张拉工艺、锚固工艺等方面存在很多考虑不周或施工不到位的情况，导致很多这一时期的系杆拱存在钢管锈蚀、注浆不密、锚头锈蚀、钢绞线松弛等威胁到结构安全的重大病害。为了保证桥梁的安全，需要及时更换吊杆，并克服原有的弊病，延长桥梁寿命。本文就以江阴跨越张家港河的75m系杆拱桥新北大桥为更换吊杆的工程实例，探讨了类似桥梁吊杆更换的方法。

2. 受力体系及拉索材料的选择

吊杆更换存在两个选择：一是修旧如旧，仍然采用钢绞线拉索+钢管的刚性吊杆体系；二是以新易旧，采用目前成熟的成品索，如PESFD平行钢丝索、GJ钢绞线整束挤压式拉索等。

使用刚性吊杆可以在很大程度上增加拱肋的横向刚度，提高桥梁整体的受力性能，但是施工复杂，结构变形能力差，后期吊杆的养护也较为困难。使用柔性吊杆可以使得桥梁的受力更加明确，索力调整精确方便，养护也比较容易，但是会削弱老桥的刚度。

考虑到此类桥梁设计时是按照刚性吊杆设计的，如果在更换吊杆时改变为柔性吊杆，就改变了其原本的受力体系，虽然从技术上说并非不可行，但是对于使用了十几年的老桥来说，理论计算并不能完全真实反映其实际的受力状况，因此做出太多的改变是存在风险的，老桥维修加固应尽量减小对原结构的影响。

3. 更换工艺设计

3.1老桥概况

本桥修建于1997年，桥梁与河道相交右偏角为81°，跨径为(3×20+76.7+3×20)m,设计荷载等级为汽-20，挂-100。桥面净宽15m，全宽17.5m。上部结构为预应力系杆拱和预应力空心板，下部结构为桩柱式桥墩、重力式桥台。

桥梁主拱的计算跨径为75m，矢高15m，矢跨比=1/5。系杆采用1.0m宽，1.6m高工字型等截面梁。拱肋与系杆同宽，高1.2m。吊杆间距4.8m，原吊杆外设Φ203×15的钢套管。拱肋为普通钢筋混凝土构件，系杆、吊杆、横梁均为预应力构件，采用标准强度为1860MPa的Φ15.24钢绞线，锚具为STM15-7。桥梁单侧吊杆15根，全桥共30根。

3.2更换原则

吊杆更换应遵循以下原则：

1. 1. 1. 所用新吊杆应确保吊杆本身和桥梁整体结构在强度、刚度和稳定方面具有足够的安全储备。

      2. 所用新吊杆和锚具应尽量加以改进，满足新的标准、要求，避免重复出现以前的病害，并且保证新吊杆耐久使用和便于再次更换。

      3. 吊杆更换过程中和更换后保持原结构受力状态不改变和结构承载能力不降低。

      4. 吊杆更换过程中必须保证桥梁结构的安全，不能因更换吊杆而损坏桥梁其他构件。

      5. 吊杆更换应使吊杆力和桥梁线形都进入拟定的设计状态，通过调索使得结构实际内力与结构设计内力差值最小，桥梁的受力状态，控制点的标高接近设计的标高值或换索前的标高值。

      6. 吊杆更换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。

3.3更换方案

采用临时吊杆法更换。

临时吊杆法是指在要更换的吊杆位置，设置临时吊杆，计算出原吊杆力后，拟定合适的临时吊杆力，先张拉临时吊杆，再放松、拆除老吊杆，完成吊杆力的转移，由临时吊杆替代老吊杆维持结构的受力与变形，待新吊杆安装到位并初次张拉后，拆除临时吊杆，再次完成吊杆力的转移，最终对新吊杆进行二次张拉，达到设计值。

临时吊杆由4根精轧螺纹钢组成，通过型钢横梁与拱肋、系杆连接，设计思路类似体外预应力，其构造如下：

本次设计对该桥的全部吊杆进行更换。新吊杆采用GJ钢绞线整束挤压式拉索体系，标准强度为1860MPa的OVM.GJ15-12钢绞线拉索，外设Φ228x14的钢套管。

3.4更换流程

吊杆更换流程为：

1. 制作并安装拱上和桥下施工平台，在桥面板相应位置钻孔；

2. 安装桥面标高控制系统；

3. 根据吊杆更换顺序，采用张拉力与位移双控，以位移控制为主的原则，分级张拉临时吊杆，至桥面标高与更换前一致，分批切断吊杆钢丝；

4. 卸除旧吊杆和外套钢管，清除拱肋和系杆中的旧吊杆和锚头；

5. 安装外套钢管，与拱肋和系杆预埋钢板焊接，安装新吊杆；

6. 分批张拉新吊杆至第—批张拉力，分级卸载临时吊杆至0；

7. 拆除临时张拉系统，移至下一吊杆处；

8. 以此类推，更换完成全桥吊杆；

9. 由中间到两侧依次对称张拉全桥吊杆至第二批张拉力；

10. 灌注钢管内的发泡材料，施工吊杆和锚头的防腐措施，测量全桥标高。

4. 有限元模拟计算

4.1老桥吊杆应力状态拟算

更换吊杆必须先明确现状桥梁在施工状态下的吊杆内力。由于老桥为刚性吊杆，预应力钢绞线、钢套管及灌注混凝土均受力，吊杆处于复杂的应力状态下，且难以准确测量吊杆内力。因此采用有限元计算软件，依据设计图纸，模拟计算吊杆内力，以此作为设计依据。

咨询采用Midas Civil 2019计算软件，建立主桥的三维有限元模型。其中系杆、拱肋、横梁、风撑均采用梁单元模拟，吊杆采用桁架单元模拟，钢管与拉索采用重合单元法模拟，不考虑灌注混凝土的粘结作用。

计算时，按照设计图纸提供的吊杆张拉力及张拉顺序加载，考虑10年的收缩徐变。

4.2临时吊杆张拉力拟算

临时吊杆的设计目标，是考虑在老吊杆失效、新吊杆未安装时，替代原吊杆作用，使得全桥受力及变形情况无尽量维持原状态。

4.3吊杆更换验算

4.3.1计算图式

采用Midas程序进行计算，在更换吊杆的位置建立临时横梁和临时吊杆的模型，临时构造与拱肋、系杆通过主从约束连接。

4.3.2施工阶段模拟

施工阶段划分如下：

安装临时构造→张拉临时吊杆→拆除老吊杆→安装新吊杆并张拉到一期张拉力

→重复以上步骤更换所有吊杆→张拉到第二批张拉力

4.3.3临时吊杆验算

以8#吊杆更换为例，查看各吊杆应力重分配情况：

从计算结果可以发现，由于钢套管的存在和施工顺序问题，更换吊杆时，原来吊杆的内力，部分被相邻吊杆承担。

针对应力增大的吊杆进行验算：

7#（7’#）拉索应力=903.3MPa≤1860MPa，安全系数2.0

7#（7’#）钢管应力=16.5MPa≤275Mpa，安全系数20.6

均满足强度要求。

4.4更换吊杆后对新吊杆的验算

4.4.1吊杆应力验算

参照原设计张拉力进行验算：

经验算，2#~8#拉索应力安全系数偏小，仅1.9，可见采用新吊杆后应调整张拉力。

4.4.2成桥变形验算

经验算跨中最大挠度17mm，小于规范要求。

5. 结语

系杆拱吊杆更换的需求正处于一个大幅增长的阶段，大量的项目实践，为这一技术问题带来的许多宝贵的经验和资料。而这一类型的项目，风险大，难度高，尤其注重实践经验的积累。广大设计工作者应同时注重理论计算与现场监控，广泛吸收类似项目的经验，提高设计服务水平。