钢管混凝土拱桥吊杆更换技术研究

钢管混凝土拱桥吊杆更换技术研究

作者：宋维师

来源：《建筑工程技术与设计》2014年第05期

摘 要：为保证某钢管混凝土拱桥运营安全，提高其承载能力，对全桥吊杆进行更换。本文从检测、设计、施工等方面进行了研究，研究内容可为类似加固工程提供参考。 关键词：钢管混凝土；拱桥；吊杆更换；维修加固

钢管混凝土拱桥是我国近二十年桥梁建设中涌现出来的新兴桥型，由于其具有自重轻、承载力高、强度大、施工方便、外观优美、经济性好等优点，得到广泛应用。然而，由于设计水平、设计理念、施工技术和使用环境等原因，部分早期建成的钢管混凝土拱桥出现吊杆锈蚀、吊杆张拉力下降、纵横梁出现裂缝及桥梁支座变形等病害，对桥梁安全运营十分不利。对这部分桥梁的吊杆进行更换以及其它部件的维修加固迫在眉睫。目前，我国钢管混凝土拱桥吊杆更换技术较成熟的工程案例不多，大多类似工程尚处于探索阶段。本文以中承式钢管混凝土拱桥吊杆更换工程为例，对该技术进行研究。 1桥梁概况 1.1原设计概况

该桥为单孔净跨46米，净矢跨比为1/3的钢管混凝土中承式拱桥。拱肋为二次抛物线，由φ800×14mm的钢管内灌C30混凝土组成拱肋截面，φ600×8mm的下横撑和斜撑，桥面上用φ700×10mm的上横撑将两拱肋连成整体。现浇钢筋混凝土纵、横梁，桥面宽18m，。吊杆为109丝φ5高强钢丝组成，PE防护，全桥共18根吊杆。桥梁运营12年。 1.2检测情况

检测发现部分吊杆存在钢丝未拉紧、渗水严重现象；部分锚头、锚板锈蚀严重，易引起钢丝锈蚀；同时，右侧中心吊杆锚具四丝未拧上。经检测单位和设计单位研究决定，全桥所有吊杆需要更换。 2 吊杆更换设计 2.1吊杆更换的原则

1）经过动静载试验，主体结构承载力已经不能达到设计荷载要求，所以吊杆更换应尽量不改变结构的受力状态，不损坏桥梁其它部位，以保持现有结构的连续性和安全性，使得更换吊杆后桥梁的总体性能不会降低；

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2）新吊杆要加强吊索防腐构造，满足再次更换条件；

（3）方案应有较好的经济性，便于实施，同时具有良好的可控制性和可操作性； 2.2新吊杆的选择

原桥吊杆为109φ5高强平行钢丝束，镦头锚，现场镦头。经分析比较，由于冷铸镦头锚锚头尺寸较大，不能通过拱肋和横梁预埋钢管，故本桥新吊杆采用钢绞线整束挤压式成品吊杆。 2.3新吊杆受力参数 2.4新吊杆技术设计要求 2.4.1新吊杆钢绞线的设计要求

吊杆钢绞线采用符合GB/T5224-2003标准的高强低松弛钢绞线φs15.2，其标准抗拉强度fpk=1860MPa；成品吊杆应满足《斜拉桥热挤聚乙烯高强钢丝拉索技术条件》GB/T18365-2001各项指标。

2.4.2钢绞线吊杆锚具的设计要求

锚具应满足《预应力筋用锚具、夹具和连接器》（GB/T14370-2004）I类锚具的要求，但应注意疲劳试验应力幅要求提高至200MPa；锚固工艺应保证在动荷载作用下有可靠的防止松动、滑移的性能。

2.4.3钢绞线吊杆HDPE防护层的设计要求

吊杆HDPE护套的物理力学性能及其它各项指标应符合GB/T18365-2001及《建筑缆索用高密度聚乙烯塑料》CJ/T3078-1998的要求。 2.5新吊杆系统其它设计要点

1）设计采用吊杆两端均设球铰锚头的方案，以减少吊杆系统摆动约束，增大体系固有频率；与此配合，要求吊杆上、下减震体应采用容许有限弹性变形的材料，既要保证足够强度以隔绝吊杆跟处套钢管又要保证吊杆可稍微整体变形。

2）HDPE护套是吊杆的第一层防护，其质量的好坏是吊杆防护体系成败的关键因素之一。热挤HDPE护套的质量取决于原材料、吊杆成型和挤塑工艺，以及制造和架设过程对护套的保护。选择优质的高性能HDPE，并在挤塑加工过程中需要加强过程工序检验和控制，还需要在运输、施工及使用过程中对HDPE护套采取合适的保护措施，避免其发生损坏。

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3）锚头保护罩内和预埋管内均需填充防腐聚氨酯材料。 3 吊杆更换施工 3.1吊杆更换施工方案

施工中通过设置兜吊系统，将旧吊杆的拉力转移到兜吊系统上。为了保证等量代换，兜吊系统承受的拉力以旧吊杆的索力为准，新吊杆索力以旧吊杆螺母松动时的拉力值为准。更换吊杆施工过程主要分“兜吊系统张拉、旧吊杆拆除”与“新吊杆张拉、兜吊系统拆除”2次体系转换过程。同时为了确保安全，在纵横梁下搭设临时支架来保证体系转换的顺利完成。 3.2吊杆更换简略流程

单根吊杆更换的简略流程如下：施工准备-测量桥面标高-桥面钻孔-安装拱上施工平台-安装兜吊系统-张拉-割断旧吊杆-清理预埋套管-安装新吊杆-张拉同步放松兜吊系统-调整索力-防水处理。

3.3兜吊系统的选型

吊杆更换过程中的主要装置是兜吊系统，为旧吊杆拆除和新吊杆安装前后的体系转换做出了重要保障，在更换过程中可以切实有效地控制和调整索力，以达到“不损坏桥面铺装”的施工要求。兜吊系统的选型既要保证结构受力安全，又要便于操作，还要适应施工过程中可能出现的变形。本工程选择柔性和刚性相结合的兜吊系统，兜吊系统结构形式是在拱圈和横梁上设置上、下吊梁（由工字型钢焊接成），中间用精轧螺纹钢相连。 3.4体系转换前的准备工作

为保证更换吊杆全过程施工安全，在平台周围及拱圈底面、侧面挂安全网。 3.5两次体系转换 3.5.1第1次体系转换 1）安装兜吊系统

（1）兜吊系统精轧螺纹钢的下料。

（2）安装下扁担梁。在横梁底放样出下扁担梁位置，用手拉葫芦及人工进行作业。 （3）安装上扁担梁。用拉葫芦及人工进行作业。

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（4）安装精轧螺纹钢。事先在桥面相应位置钻孔，孔径根据精轧螺纹钢的直径及纵横梁的结构类型结合确定。 2）安装张拉设备

兜吊系统张拉端设在下端，共安装2台千斤顶，每台千斤顶单独由1台油泵供油（油表读数精确至0.5MPa）。 3）旧吊杆的拆除

（1）吊杆的拆除依据对称的原则，从每拱跨两端向跨中交替逐对拆除，每拆除一对旧吊杆，则相应换上一对新吊杆。

（2）张拉临时兜吊系统，以桥面标高和相邻吊点高差为控制条件，采用多次加载及分批割断吊杆钢丝的方式使吊杆力逐步转移到兜吊系统上，整个过程须密切监测桥面标高的变化。 （3）吊杆力全部转移到兜吊系统后将旧吊杆完全割断。

（4）凿除封锚混凝土，拆除锚头部件及吊杆钢丝，清理预埋管内的混凝土，并对原锚垫板进行打磨除锈处理。 4）转换实施 （1）中断桥面交通。

（2）分级逐步张拉新吊杆、分级逐步放松兜吊系统。

（3）测量吊点处桥面标高及其它观测点标高，测量新吊杆索力。 5）张拉调索

在吊杆更换张拉的过程中，由于多种条件的限制，一次难以将标高调整到位，部分吊杆通过二次张拉完成调整工作。对于拉力偏差较大的吊杆也通过二次张拉进行调整。调整的原则是以标高控制为主，同时要求同拱跨、同编号吊杆、上下游索力尽可能一致。具体流程如下：①依次安装好联接套、张拉杆、撑脚、千斤顶，进行张拉预紧。②张拉吊杆至30MPa后卸压，放松兜吊系统至不受力状态。放张过程注意左右方向吊杆同时同步，在张拉过程中对吊杆力及桥面标高进行双控，要求桥面标高上下位移不得超过设计允许范围（±5毫米）。③根据计算的标高调整值对吊杆两次张拉，将横梁调整到设计标高。④每跨全部吊杆更换完毕后，要求对本跨吊杆进行一次全面的标高和索力的调整。 6）防护处理

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在防护处理前要检查各组件的防腐、焊缝的防腐，两者必须均达到要求，同时锚垫板在使用前须经热处理后再进行后续处理。待吊杆更换与张拉工序完成后对新吊杆进行防护处理，流程如下：①安装桥面防水罩以及上、下锚头保护罩；②向吊杆锚杯、上下锚头保护罩及预埋管内填充防腐聚氨酯材料 4 吊杆更换效果 4.1吊杆高程变化

本工程通过兜吊系统和千斤顶顶升，使各个吊杆的高程有所增加，大大缓解了纵梁下挠现象，改善了桥梁的线形。桥面高程监测采用精密水准仪进行。检测结果表明，桥面标高变化最大处为南、北5#吊杆处，高差为3mm；标高变化最小处为南、北1#、9#，，高差为0.5mm。可见吊杆更换后高程均有所增加，缓解了桥梁纵梁下挠现象，改善了桥梁线形，达到了预期效果。4.2吊杆张拉力变化

吊杆张拉力主要考虑更换前、更换后及调索后的变化情况。根据更换结果，大部分吊杆最终张拉力与设计值吻合，全桥所有吊杆的吊杆力均有所增加。经检测，桥梁的整体承载能力大幅提升，加固施工达到设计要求，桥梁安全运营得到保障。 5. 结论

本工程吊杆更换是在半开放交通的情况下进行的。由于工序控制严格，施工人员认真负责，工程进展顺利。通过该吊杆更换工程，得出如下主要结论：

1）该桥暴露出的结构病害进一步表明，设计中应加强吊杆的设计计算，可通过在锚固处设置弧形垫板或纵向可转动的铰等方式改善吊杆受力状况。

2）对服役期限超过十年的钢管混凝土拱桥建立档案管理体系，进行定期检测。对于锈蚀较为严重的吊杆，应及时予以处理或更换，避免对桥跨结构及行车安全造成威胁。

3）对维修加固工程的全过程进行严格的监测，预防突发事故。施工单位、检测单位和设计单位紧密协作，根据现场实际情况制定详细施工方案。

4）对于钢-混凝土组合结构，在进行焊接时可以采取局部降温、分部分段的方法进行焊接，以免对混凝土造成灼伤。

5）对于长期处于潮湿环境中的钢结构，应采取较高的防护标准，如重防腐体系，改善防腐效果。

6）加强交通管制，严禁超载、超速车辆通行。

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参考文献：

陈宝春.钢管混凝土拱桥设计与施工[M].北京：人民交通出版社，1999 王静.钢管混凝土拱桥换索施工控制技术[D].重庆：重庆交通学院，2005年3月