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        基于差值法的系桿拱橋更換吊桿方案優(yōu)化研究

        2018-08-01 06:29:10李浩師黃平明蔡昌偉張燎原
        鐵道建筑 2018年7期
        關(guān)鍵詞:索力吊桿線形

        李浩師,黃平明,王 濤,蔡昌偉,張燎原

        (長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院,陜西 西安 710064 )

        系桿拱橋造型優(yōu)美,結(jié)構(gòu)新穎,兼顧梁橋和拱橋的受力特性,是典型的三元結(jié)構(gòu)體系[1],由梁體、吊桿及拱肋組成。吊桿作為中、下承式系桿拱橋的主要傳力構(gòu)件[2],其安全性、適用性和耐久性關(guān)系到整個(gè)橋梁的安全運(yùn)營(yíng)。由于其計(jì)算理論、構(gòu)造設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)管理等方面的不足,吊桿很容易出現(xiàn)錨具銹蝕、吊桿鋼筋疲勞等病害[3-5],最有效的解決措施是更換吊桿。

        目前國(guó)內(nèi)更換吊桿主要采用臨時(shí)支架法[6-7]、臨時(shí)兜吊法[8-9]和臨時(shí)吊桿法[10-11]等。臨時(shí)吊桿法通過分級(jí)張拉臨時(shí)吊桿和分批切斷舊吊桿鋼絲將吊桿力轉(zhuǎn)移到臨時(shí)吊桿,再通過分級(jí)張拉新吊桿和分級(jí)卸載臨時(shí)吊桿,將臨時(shí)吊桿力轉(zhuǎn)移到新吊桿。一般多采用等步長(zhǎng)替代[12]的方法進(jìn)行更換,但是并沒有考慮到舊吊桿的卸載和新吊桿的張拉,橋面線形的變化及是否需要二次調(diào)索等。本文基于此,以某中承式系桿拱橋主橋更換吊桿為例,提出采用臨時(shí)吊桿法,在傳統(tǒng)的等步長(zhǎng)更換基礎(chǔ)上,運(yùn)用差值法進(jìn)行吊桿梯度張拉更換,以優(yōu)化系桿拱橋更換吊桿的張拉方案。

        1 工程背景

        一中承式系桿拱橋于1994年建成通車。主橋上部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土平行拱肋系桿拱,拱肋中心間距19.68 m,計(jì)算跨徑80 m,矢跨比1/5。拱軸線為二次拋物線,拱肋采用內(nèi)八角形箱形截面,共設(shè)5道一字型橫撐。縱梁采用55 cm×130 cm的矩形截面形式,橫梁采用120 cm×160 cm的矩形空心截面。全橋共設(shè)13對(duì)吊桿,吊桿中心間距5.08 m,舊吊桿由90根φ7鍍鋅鋼絲組成,新吊桿采用PE護(hù)套鋼絞線,吊桿外徑140 mm,PE護(hù)套厚度13 mm,由37束鋼絞線組成。主橋橋跨布置如圖1所示。

        圖1 主橋橋跨布置(單位:cm)

        經(jīng)過20余年的運(yùn)營(yíng)和雨水剝蝕,全橋吊桿錨頭大部分存在嚴(yán)重銹蝕病害,錨頭內(nèi)外露鋼絲銹蝕嚴(yán)重;吊桿鋼護(hù)筒破損;吊桿表面掉漆銹蝕,短吊桿基本被埋在泥土中。為了橋梁結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng),需要對(duì)主橋進(jìn)行吊桿更換。

        2 吊桿更換方法

        本橋吊桿更換采用臨時(shí)吊桿法,在拱肋吊桿位置前后分別澆筑三角形混凝土墊塊,架設(shè)上鋼橫梁,打穿橋面板相應(yīng)位置,對(duì)應(yīng)橫梁底部架設(shè)2道下鋼橫梁,每根吊桿處安裝4根臨時(shí)吊桿,形成臨時(shí)吊桿工作系統(tǒng)。

        采用臨時(shí)吊桿法更換吊桿,需要2次體系轉(zhuǎn)換,首先切斷舊吊桿,通過分級(jí)張拉臨時(shí)吊桿和切斷舊吊桿鋼絲交替進(jìn)行,共分5級(jí)張拉,劃分10個(gè)工況,完成第1次體系轉(zhuǎn)換。切斷舊吊桿,鑿除錨頭、清孔,安裝新吊桿,開始張拉新吊桿,同理分級(jí)張拉新吊桿和卸載臨時(shí)吊桿交替進(jìn)行,完成第2次體系轉(zhuǎn)換。

        對(duì)于張拉方案,提出等步長(zhǎng)和差值法2種方案,其中等步長(zhǎng)方案按照30%,30%,20%,10%,10%的梯度進(jìn)行5級(jí)張拉和卸載,每級(jí)張拉力值比例和卸載力值比例相同。而差值法在保持張拉比例不變的情況下,改變卸載比例。為降低控制風(fēng)險(xiǎn),第一級(jí)卸載比例仍然保持為30%,為防止橋面抬升過多,在張拉過程加大卸載比例,第二級(jí)卸載比例由30%加大為35%,同時(shí)為了防止梁體下降太多,第三級(jí)卸載比例保持20%不變,第四級(jí)卸載比例減小為8%,第五級(jí)減小為7%。切斷舊吊桿時(shí),按照30%,30%,20%,10%,10%的梯度張拉臨時(shí)吊桿,按照30%,35%,20%,8%,7%的比例切斷舊吊桿鋼絲。張拉新吊桿時(shí),按照30%,30%,20%,10%,10%的梯度張拉新吊桿,按照30%,35%,20%,8%,7%的比例卸載臨時(shí)吊桿索力。詳細(xì)張拉方案如表1、表2所示。

        表1 臨時(shí)吊桿梯度張拉方案

        表2 新吊桿梯度張拉方案

        吊桿更換采用從中間向兩邊的順序逐次更換,即7#-6#-8#-5#-9#-4#-10#-3#-11#-2#-12#-1#-13#,每次僅更換上下游編號(hào)相同的一對(duì)吊桿,以降低控制風(fēng)險(xiǎn)。在整個(gè)更換過程中,進(jìn)行索力和線形雙控,要求吊桿索力與設(shè)計(jì)值相差10%以內(nèi),線形與設(shè)計(jì)值相差控制在10 mm 以內(nèi)。

        3 更換吊桿

        3.1 切斷舊吊桿

        吊桿更換采用從中間向兩邊的順序逐根進(jìn)行,對(duì)7#,6#吊桿進(jìn)行試驗(yàn)性更換。首先切斷7#舊吊桿采用方案1的等步長(zhǎng)方法,張拉臨時(shí)吊桿和切斷舊吊桿鋼絲交替進(jìn)行,詳細(xì)張拉梯度和工況劃分參見表1。

        舊吊桿切斷過程,每一級(jí)張拉,精確測(cè)量張拉吊桿和相鄰吊桿的索力及線形,至7#臨時(shí)吊桿張拉完畢,其各吊桿處標(biāo)高變化量如圖2(a)所示。橋面整體升高,7#吊桿處橋面抬升最多,為3.66 mm,6#,8#吊桿處橋面分別抬升2.04,2.13 mm。相鄰吊桿索力均減小,如圖2(b)所示。

        圖2 張拉7#,6#臨時(shí)吊桿時(shí)各吊桿處標(biāo)高及索力變化量

        從圖2測(cè)量數(shù)據(jù)來看,張拉臨時(shí)吊桿過程中,舊吊桿沒有及時(shí)放張,雖然切斷相同比例的鋼絲根數(shù),但是舊吊桿索力并沒有卸載到相應(yīng)比例。7#舊吊桿索力與臨時(shí)吊桿索力之和大于7#吊桿初始索力,7#吊桿處橋面升高。同時(shí)造成橋面整體升高,使得相鄰吊桿索力均減小,橋面抬高。

        雖然切斷7#舊吊桿,全橋索力和線形變化均在控制范圍之內(nèi),但是如果繼續(xù)按照該方案進(jìn)行吊桿更換,會(huì)出現(xiàn)疊加效應(yīng),橋面繼續(xù)升高,不利于施工控制?;诖?,改變張拉梯度,對(duì)6#臨時(shí)吊桿張拉采用差值法按照方案2進(jìn)行臨時(shí)吊桿的張拉,詳細(xì)張拉梯度和工況劃分參見表1。

        至6#臨時(shí)吊桿張拉完畢,各吊桿處標(biāo)高變化量見圖2(a),雖然橋面仍然稍有升高,但是變化量非常小,標(biāo)高最大值6#吊桿處升高1.81 mm,最小值8#吊桿處升高1.12 mm。而吊桿索力變化量也減小,尤其4#吊桿索力變化量?jī)H為22 kN,見圖2(b)。

        圖3 舊吊桿力卸載比例

        張拉7#和6#臨時(shí)吊桿過程中,比較舊吊桿每一級(jí)的卸載比例,見圖3。7#臨時(shí)吊桿張拉方案下,卸載比例與設(shè)計(jì)卸載比例有較大差值。而6#臨時(shí)吊桿采用差值法進(jìn)行張拉,從第二級(jí)開始,其卸載比例加大,接近設(shè)計(jì)卸載比例,不僅6#舊吊桿索力及時(shí)卸載,而且各吊桿處線形變化量均很小,運(yùn)用差值法張拉臨時(shí)吊桿有較好的效果。

        3.2 張拉新吊桿

        臨時(shí)吊桿張拉完畢,鑿除錨頭、清孔,安裝新吊桿,交替分級(jí)張拉新吊桿和卸載臨時(shí)吊桿。其中7#新吊桿采用等步長(zhǎng)的方法按照方案3進(jìn)行張拉,6#新吊桿采用差值法按照方案4進(jìn)行張拉,詳細(xì)張拉梯度和工況劃分參見表2。

        新吊桿張拉完畢,比較2種張拉方案在張拉過程中各吊桿處標(biāo)高增量,如圖4(a)所示??梢钥闯?,通過方案3張拉7#新吊桿,張拉吊桿和相鄰吊桿處均升高,7#吊桿處升高1.9 mm,其他吊桿升高也超過1 mm。而采用方案4張拉6#新吊桿,至張拉完畢,標(biāo)高最大值6#吊桿處僅升高0.87 mm,其他相鄰吊桿處基本小于0.5 mm。方案4的線形變化量明顯小于方案3線形變化量,有利于維持橋面線形平順,降低控制風(fēng)險(xiǎn),便于進(jìn)行施工控制。

        按照方案3和方案4張拉新吊桿后,相鄰吊桿的索力變化量如圖4(b)所示??梢钥闯觯捎梅桨?張拉完畢后,除了7#新吊桿張拉到位,相鄰吊桿索力均增大,其中8#吊桿索力增大最多,增大199 kN, 6#吊桿索力增加178 kN。而采用方案4張拉6#新吊桿,至張拉完畢,相鄰吊桿索力雖然也有增大趨勢(shì),但是變化量明顯小于方案3。可以看出,采用方案4不僅新吊桿索力張拉到位,而且對(duì)相鄰吊桿影響較小。

        圖4 張拉7#,6#新吊桿時(shí)各吊桿處標(biāo)高及索力變化量

        分級(jí)張拉新吊桿,比較每一級(jí)新吊桿力的增長(zhǎng)比例,如圖5所示。與設(shè)計(jì)張拉力的增長(zhǎng)梯度比較,張拉7#新吊桿,其增長(zhǎng)速度大于設(shè)計(jì)增長(zhǎng)速度,而采用差值法張拉6#新吊桿,其增長(zhǎng)速度低于7#新吊桿,與設(shè)計(jì)增長(zhǎng)梯度較為接近。運(yùn)用差值法張拉新吊桿有較好的效果。

        圖5 新吊桿力增長(zhǎng)比例

        3.3 全橋吊桿更換

        全橋吊桿更換完畢,索力與初始值比較,如表3所示,相差均在10%以內(nèi)。4#吊桿相差最大,為8.35%,7#吊桿按照等步長(zhǎng)的方法進(jìn)行更換,為7.35%,其他吊桿大多數(shù)索力相差在5%以內(nèi)。

        表3 全橋吊桿索力與初始值比較 %

        橋梁線形與更換吊桿前比較,見圖6??芍?,7#吊桿處升高5.23 mm ,6#吊桿處升高5.04 mm,其他吊桿處變化量均在5 mm以內(nèi),小于限值10 mm。全橋橋面處于抬升狀態(tài),從橋梁運(yùn)行角度考慮良好。

        圖6 全橋線形變化量

        綜合考慮全橋索力和線形,變化量均很小,完全滿足要求,無需進(jìn)行二次調(diào)索。

        4 結(jié)語

        1)全橋共13對(duì)吊桿,從中間向兩側(cè)逐根進(jìn)行更換,7#吊桿采用等步長(zhǎng)的方法梯度更換,其余吊桿全部采用差值法梯度更換。至更換完畢,全橋吊桿索力變化較小,線形變化平順,均符合要求,無需進(jìn)行二次調(diào)索。

        2)吊桿更換過程中,會(huì)對(duì)相鄰吊桿索力和標(biāo)高產(chǎn)生影響,切斷舊吊桿方案2優(yōu)于方案1,張拉新吊桿方案4優(yōu)于方案3,即差值法更換吊桿優(yōu)于等步長(zhǎng)更換吊桿。

        3)采用差值法張拉臨時(shí)吊桿可有效解決舊吊桿力卸載不足的問題,減小橋面線形變化量;采用差值法張拉新吊桿,可使得新吊桿力每級(jí)接近設(shè)計(jì)值的大小,減小對(duì)相鄰吊桿索力的影響,減小橋面線形變化量。

        4)更換吊桿時(shí)橋面線形和吊桿索力均會(huì)發(fā)生變化,建議更換吊桿時(shí)選取合適的差值比例進(jìn)行梯度張拉,以減小線形和索力的變化量,避免二次調(diào)索。

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