毛 錚

(蘇州市公路管理處，江蘇 蘇州 215004)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)修建了大量拱橋，形式也各有不同，因周圍地形特征、橋下凈空等限制，大多數(shù)拱橋以中、下承式混凝土系桿拱橋?yàn)橹?。系桿拱橋的吊桿體系部分采用了平行鋼絲+鐓頭錨；同時(shí)通過(guò)在吊桿外增設(shè)鋼護(hù)桶，套管內(nèi)灌注水泥砂漿對(duì)鋼絲進(jìn)行防腐。但早期剛性吊桿的墩頭錨，部分采用了非成品件，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行加工，工藝水平較差，在橋梁竣工后10～15年甚至更短的時(shí)間內(nèi)，吊桿即出現(xiàn)了嚴(yán)重的病害。本文以實(shí)際工程為例，對(duì)系桿拱橋的病害和加固技術(shù)進(jìn)行研究。

1 工程背景

本文以某系桿拱橋?yàn)楣こ瘫尘?，該橋?004年建成通車，主橋跨徑為62 m，拱肋和縱梁均采用鋼筋混凝土箱型斷面，單幅橋共設(shè)兩排各11根吊桿。橋面系總寬18.1 m，凈距為15.5 m。圖1為主橋結(jié)構(gòu)立面圖。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)立面圖

本橋上部結(jié)構(gòu)于2015年定期檢查中評(píng)定為三類，發(fā)現(xiàn)吊桿的表觀狀況較差：其上錨頭墊板發(fā)生析白，存在一定的安全隱患。2016年對(duì)該橋進(jìn)行了專項(xiàng)檢查，主橋技術(shù)狀況評(píng)定為四類。

2 典型病害及其原因分析

2.1 典型病害

2.1.1 上錨頭

根據(jù)吊桿專項(xiàng)檢查結(jié)果：抽取的7個(gè)吊桿上錨頭均存在不同程度病害：封錨填充物存在外鼓、脹裂，打開后內(nèi)部填充物均為紅色黏土磚及水泥砂漿，錨頭均浸泡于污水中。錨頭內(nèi)積水及雜物清理后，對(duì)墩頭進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)，錨頭均存在表面浮銹，左幅L-10#吊桿未見6根鋼絲墩頭，右幅L-4#吊桿未見1根鋼絲墩頭。

2.1.2 下錨頭

打開下錨頭封錨處均存在析白、滲水現(xiàn)象，錨頭內(nèi)填充物均為紅色黏土磚及水泥砂漿，鋼絲墩頭均處于潮濕環(huán)境中，鋼絲墩頭及錨具不同程度銹蝕，其中左幅L-10#及L-11#吊桿下錨頭銹蝕較為嚴(yán)重。

2.1.3 吊桿內(nèi)部狀況

左幅L-10#、右幅R-11#吊桿打開后內(nèi)部水泥砂漿密實(shí)；右幅R-9#吊桿打開后內(nèi)部水泥砂漿密實(shí)，但原設(shè)計(jì)為PE護(hù)套防護(hù)實(shí)際施工時(shí)采用的塑料波紋管，且管內(nèi)狀況非常潮濕；左幅L-11#吊桿打開后發(fā)現(xiàn)內(nèi)部水泥砂漿松散、潮濕，未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部PE護(hù)套或波紋管，且吊桿鋼絲已經(jīng)出現(xiàn)表面浮銹。

2.2 病害原因分析

該橋病害的主要原因?yàn)槭┕べ|(zhì)量較差，工藝把關(guān)不嚴(yán)。具體內(nèi)容如下所示：

(1)部分吊桿護(hù)套內(nèi)砂漿灌漿不實(shí)。

(2)部分吊桿內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部PE護(hù)套或波紋管。

(3)部分錨頭墩頭工藝質(zhì)量較差，部分鋼絲已滑絲。

(4)錨頭封錨未采用設(shè)計(jì)的50#混凝土，而采用黏土磚加水泥砂漿的方式封錨，在雨水常年侵蝕下，黏土磚體積膨脹、封錨處砂漿脹裂，進(jìn)而雨水進(jìn)入上錨頭內(nèi)部，侵蝕整個(gè)吊桿體系。

3 加固方案擬定

本橋加固方案的原則主要為以下兩點(diǎn)：

(1)消除吊桿結(jié)構(gòu)安全隱患

本橋吊桿內(nèi)部及錨具內(nèi)部積水嚴(yán)重，多個(gè)錨頭存在銹蝕、滑絲現(xiàn)象，部分內(nèi)部鋼絲已出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，如不及時(shí)維修，可能會(huì)導(dǎo)致吊桿失效，橋面系坍塌，造成極大的安全隱患，必須盡快消除。

(2)改善結(jié)構(gòu)的耐久性

構(gòu)件局部露筋、鋼筋銹蝕、混凝土保護(hù)層過(guò)薄等病害，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性不會(huì)產(chǎn)生直接影響，但其會(huì)隨著時(shí)間的發(fā)展逐漸惡化，對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性極為不利。

3.1 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)橋梁實(shí)際情況，對(duì)吊桿加固的方案設(shè)計(jì)提出了兩種建議：方案一為全橋吊桿更換；方案二采用對(duì)原吊桿進(jìn)行吊桿除濕防腐處理并增設(shè)輔助吊桿的方式。

3.1.1 方案一

鑒于本橋吊桿已使用13年，且所打開錨頭、吊桿均存在一定的缺陷，建議全橋吊桿更換，采用新型吊桿體系替換原有吊桿，實(shí)施過(guò)程中采用臨時(shí)吊桿體系保障結(jié)構(gòu)安全。

原橋采用DM型鋼絲墩頭錨固體系，DM5A-90和DM5B-90錨具及其配套設(shè)備，索體極限破壞力為2 950 kN，其拱肋內(nèi)上錨頭錨杯內(nèi)徑為φ340 mm，上導(dǎo)管內(nèi)徑φ140 mm，系梁內(nèi)錨頭錨杯內(nèi)徑φ300 mm，下導(dǎo)管內(nèi)徑φ140 mm。目前大多平行鋼絲成品索體系中錨頭構(gòu)造尺寸較大，無(wú)法直接利用原有預(yù)埋鋼護(hù)筒。目前可在原結(jié)構(gòu)上直接安裝的新吊桿體系主要有：

3.1.1.1 擠壓錨固鋼絞線吊桿體系

擠壓錨固鋼絞線吊桿體系通過(guò)擠壓錨固鋼絞線的方式，實(shí)現(xiàn)錨頭結(jié)構(gòu)緊湊，外徑小，有利于整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、美觀。相同承載力的條件下，本體系的錨頭尺寸比冷鑄錨、熱鑄錨小30%以上，可使預(yù)留孔尺寸減小。鋼絞線在索體內(nèi)隔離防腐，防腐蝕性能優(yōu)越。

采用拉索型號(hào)為GJ15-12，滿足JT/T 850-2013中的相關(guān)要求，鋼絞線的外徑為φ15.2 mm，抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa，鋼絞線束公稱截面積A=16.80 cm2，索體單位重16.65 kg/m，索體外徑85 mm，公稱破斷索力3 120 kN(見圖2)。

圖2 擠壓錨固鋼絞線拉索三維結(jié)構(gòu)圖

3.1.1.2 上下剛性拉桿+平行鋼絲體系

上下剛性拉桿+平行鋼絲體系在拱肋及系梁內(nèi)部分為剛拉桿，拉桿直徑較小，中間索體采用平行鋼絲+冷鑄墩頭錨成品索，剛拉桿與索體之間采用連接頭連接，連接頭連接拉桿外螺紋和平行鋼絲錨具的外螺紋(見圖3)。

圖3 上下剛性拉桿+平行鋼絲體系示意圖

由于上下剛性拉桿+平行鋼絲體系整體性不如擠壓錨固鋼絞線吊桿體系，拉索體系零件較多，管養(yǎng)較為復(fù)雜。綜合考慮，采用擠壓錨固鋼絞線吊桿體系。見圖4。

圖4 臨時(shí)吊桿系統(tǒng)示意圖

3.1.2 方案二

方案二采用對(duì)原吊桿進(jìn)行吊桿除濕防腐處理并增設(shè)輔助吊桿的方式，施工主要分輔助吊桿安裝及張拉、舊吊桿維修兩大步驟。通過(guò)對(duì)原吊桿除濕防腐處理，增加其耐久性，同時(shí)，為增加結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，增設(shè)輔助吊桿作為最后一道“防線”。

3.1.3 方案比選

經(jīng)過(guò)比選，推薦方案一更換吊桿方案。詳細(xì)比選結(jié)果見表1。

表1 方案對(duì)比表

3.2 理論計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)文件和吊桿更換順序進(jìn)行仿真分析，采用橋梁專用有限元軟件Midas Civil進(jìn)行計(jì)算。其中，系梁、橫梁、拱肋和橫撐采用梁?jiǎn)卧?，吊桿采用只受拉桁架單元建立，全橋模型見圖5。

圖5 全橋Midas Civil模型圖

3.2.1 新吊桿體系驗(yàn)算

本橋原吊桿為剛性體系，吊桿外套內(nèi)徑φ200 mm、壁厚10 mm的無(wú)縫鋼管。更換后，在張拉完成后焊接鋼管，因此鋼管不參與二恒受力，新拉索索力增大。針對(duì)該情況的計(jì)算結(jié)果見表2，在持久狀況組合下最大吊桿索力安全系數(shù)仍>2.5，說(shuō)明鋼管對(duì)拉索內(nèi)力影響較小。

3.2.2 臨時(shí)兜吊體系驗(yàn)算

此外，更換吊桿時(shí)需要安裝臨時(shí)吊桿，用兩根40a槽鋼雙拼作為臨時(shí)吊桿系統(tǒng)的錨固橫梁和系梁底部的拖梁，用直徑32 mm精軋螺紋鋼作為臨時(shí)吊桿。為保證施工的安全需要對(duì)臨時(shí)吊桿進(jìn)行模擬驗(yàn)算，模擬圖和驗(yàn)算結(jié)果如圖6～7所示。

圖6 安裝臨時(shí)吊桿模擬圖

(a)臨時(shí)吊桿上端應(yīng)力圖

(b)臨時(shí)吊桿下端應(yīng)力圖

由圖7可知臨時(shí)吊桿上端最大應(yīng)力為84.2 MPa，臨時(shí)吊桿下端最大應(yīng)力為83.2 MPa，小于規(guī)范要求的限值，滿足要求。

3.3 主要施工工藝

在理論計(jì)算合理的基礎(chǔ)上按照方案一對(duì)該系桿拱橋進(jìn)行吊桿的更換。吊桿更換主要有兩點(diǎn)施工工藝：

3.3.1 舊吊桿的拆除工藝

本橋舊吊桿拆除采用分階段、不等步長(zhǎng)的方式拆除各根原有吊桿。本橋原吊桿采用5-90平行鋼絲索，索體內(nèi)部分為5層平行鋼絲，由內(nèi)而外分別為6根、12根、18根、24根及30根，分四階段逐步切割原鋼絲，按照30、24、18、18的工作步長(zhǎng)分級(jí)割斷原吊桿鋼絲，張拉臨時(shí)吊桿和割斷原有吊桿內(nèi)的鋼絲。

具體步驟如下：

(1)臨時(shí)兜吊系統(tǒng)安裝就位后，預(yù)緊臨時(shí)吊桿。

(2)沿吊桿高度方向切開原吊桿外全部的鋼套管。

(3)按既定方式逐級(jí)張拉臨時(shí)吊桿，并切割舊吊桿鋼絲。

(4)拆除系桿頂面至拱肋底面間吊桿。

(5)取下原錨具錨板，保留原錨具錨墊板。

(6)對(duì)原錨具錨墊板進(jìn)行除銹和阻銹處理。

吊桿拆除過(guò)程中，以結(jié)構(gòu)變形為主、理論吊桿內(nèi)力為輔的控制方式，確保舊吊桿拆除過(guò)程結(jié)構(gòu)安全。具體思路為：在結(jié)構(gòu)變形未超過(guò)理論計(jì)算數(shù)值或限值的情況下，繼續(xù)張拉臨時(shí)吊桿至預(yù)定的分步張拉內(nèi)力；在結(jié)構(gòu)變形超過(guò)理論計(jì)算值時(shí)，停止臨時(shí)吊桿張拉，待分析原因并確定相應(yīng)解決措施后繼續(xù)進(jìn)行吊桿更換工作。

每級(jí)施工完畢后，對(duì)控制點(diǎn)位移及臨時(shí)吊桿內(nèi)力進(jìn)行測(cè)量，確保控制點(diǎn)位移<3 mm。兜吊系統(tǒng)提梁時(shí)保持4臺(tái)千斤頂行程同步，確保四點(diǎn)受力均勻。

3.3.2 新吊桿安裝

新吊桿安裝的具體內(nèi)容如下：

(1)拉索下料施工應(yīng)在車間內(nèi)進(jìn)行，下料過(guò)程如發(fā)現(xiàn)鋼絞線單層護(hù)套有破損，應(yīng)及時(shí)修補(bǔ)，嚴(yán)重時(shí)應(yīng)更換鋼絞線。下料時(shí)應(yīng)對(duì)鋼絞線長(zhǎng)度隨時(shí)復(fù)查，以確保下料長(zhǎng)度準(zhǔn)確無(wú)誤。張拉端PE護(hù)套的剝除應(yīng)使用專用刀具，剝除時(shí)不得損傷鋼絞線。剝除后使用專用清洗劑清洗兩端油脂，清洗時(shí)應(yīng)注意保護(hù)鋼絞線外的環(huán)氧涂層。

(2)在拉索的整個(gè)安裝過(guò)程中，應(yīng)做到準(zhǔn)確下料，做好各部位接頭的連接和密封，注意不損傷鋼絞線和保護(hù)層，確保各級(jí)保護(hù)的可靠性。

(3)按照計(jì)算確定的分級(jí)張拉方式，逐步、緩慢張拉新吊桿和卸載臨時(shí)吊桿，直至臨時(shí)吊桿將全部吊桿力轉(zhuǎn)移給新吊桿，吊桿內(nèi)力全部轉(zhuǎn)移后，吊桿超張拉5%，持荷2 min后錨固新吊桿。在此過(guò)程中應(yīng)全程監(jiān)測(cè)更換吊桿處拱肋和系梁標(biāo)高，確保其變化在設(shè)計(jì)控制范圍之內(nèi)，并全程監(jiān)測(cè)新吊桿和臨時(shí)吊桿內(nèi)力。

(4)新吊桿張拉到位后，拆除上下吊點(diǎn)，對(duì)預(yù)埋管內(nèi)灌注防腐油脂，以防滲水和腐蝕。在外部加裝錨頭罩和防水罩，錨頭罩、防水罩和錨墊板應(yīng)進(jìn)行防腐處理。

4 結(jié)語(yǔ)

國(guó)內(nèi)早期修建的許多系桿拱橋都到了更換吊桿的周期。本文通過(guò)對(duì)系桿拱橋這一典型病害分析和加固技術(shù)的研究，特別是對(duì)吊桿專項(xiàng)檢測(cè)、方案設(shè)計(jì)、理論驗(yàn)算及施工方案的分析，以期為該橋型的病害處置技術(shù)提供一定的理論參考。