鄧海毅，黃穎，蘇韓

（1.柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州 545006；2.柳州工學(xué)院，廣西 柳州 545616；3.柳州市預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，廣西 柳州 545616）

0 引言

采用舊橋換索的加固方法能顯著節(jié)約資源和成本，提高拱橋吊桿的安全系數(shù)，改善橋梁的受力分布，從而有效提升橋梁的運(yùn)營(yíng)能力。馮兆祥[1]、龍躍[2]對(duì)導(dǎo)致橋梁纜索病害與破壞機(jī)理進(jìn)行分析研究，并提出預(yù)防措施。隨著越來(lái)越多的橋梁加固及舊橋換索工程的實(shí)施，常規(guī)的舊橋換索技術(shù)已越來(lái)越成熟，并得到廣泛應(yīng)用，唐賜明[3]、李世忠[4]、孫海霞[5]等對(duì)拱橋吊桿的維修、具體工程的更換吊桿施工工藝進(jìn)行了研究及實(shí)施。

但一些特殊的舊橋采用成組鋼拉桿作為吊桿，這種結(jié)構(gòu)的舊橋預(yù)埋管和錨槽過(guò)小，原有鋼拉桿間多有鋼筋穿過(guò)，對(duì)于將要更換的新吊桿來(lái)說(shuō)會(huì)導(dǎo)致新吊桿安裝空間不足甚至與錨槽內(nèi)鋼筋或其他結(jié)構(gòu)有干涉，如果進(jìn)行擴(kuò)孔等操作勢(shì)必會(huì)對(duì)橋梁原有結(jié)構(gòu)造成破壞并使工程量大大增加。因此需要一種新的連接方式以適應(yīng)這種情況的舊橋換索施工操作。以永定縣南門(mén)大橋?yàn)槔?，針?duì)成組鋼拉桿式拉索的舊橋換索設(shè)計(jì)一種新型的連接耳板，解決拱端連接問(wèn)題，完成工程施工至今運(yùn)營(yíng)良好。

1 工程概況

永定縣南門(mén)大橋上部結(jié)構(gòu)采用主跨為50.0 m的鋼筋混凝土中承式拱橋，邊跨對(duì)稱布置了跨徑為19.0 m的坦拱。鋼筋混凝土中承式拱橋凈跨47.5 m，凈矢高9.5 m，凈矢跨比1/5。全橋采用連續(xù)結(jié)構(gòu)體系，中間不設(shè)伸縮縫，吊桿是4根鋼拉桿為一組的吊桿結(jié)構(gòu)，吊桿外表以不銹鋼管包裹防護(hù)，如圖1所示。該橋于1996年建成通車，2014年檢測(cè)發(fā)現(xiàn)橫梁下吊桿錨固螺母及鋼墊板銹蝕嚴(yán)重，所有橫梁均有不同程度的滲水、泛堿和露筋銹蝕情況，滲水現(xiàn)象加劇，吊桿使用年限已達(dá)16年，且吊桿橫梁梁底錨頭銹蝕嚴(yán)重，更換吊桿所遇到的瓶頸問(wèn)題就是舊橋拱端錨槽過(guò)小，且原四根鋼拉桿中間有鋼筋穿過(guò)，橫穿的鋼筋為拱肋結(jié)構(gòu)筋，不能將此鋼筋去除。如果將4根鋼拉桿更換為成品拉索，此鋼筋將干涉新吊桿的安裝，如圖2所示。

圖1 4根鋼拉桿為一組的舊吊桿拱端

圖2 拱肋內(nèi)橫穿鋼筋

2 更換吊桿方案設(shè)計(jì)

吊桿更換方案原則以保證橋梁的結(jié)構(gòu)安全，不因更換吊桿而損壞橋梁其他部位制定[6]，吊桿主體為鋼絞線成品索，上端通過(guò)特殊結(jié)構(gòu)的連接耳板加鋼拉桿的形式將吊索的力傳遞到拱端，既不需破壞原橋結(jié)構(gòu)，又解決了吊桿更換的施工問(wèn)題，使整個(gè)換索工程的工程量大大減少，并能實(shí)現(xiàn)今后再次更換的可能。吊桿上端利用原橋預(yù)留4個(gè)上預(yù)埋管安裝鋼拉桿，鋼拉桿與T形耳板連接，換索張拉完成后，在T形耳板與拱肋間以及拱肋上端原槽口，采用高強(qiáng)砂漿填充，由此制成拱肋端可連接的叉耳結(jié)構(gòu)，如圖3所示。下端由原來(lái)的4個(gè)鋼拉桿通孔，擴(kuò)為1個(gè)大孔，吊桿采用GJ15-15擠壓錨固鋼絞線拉索，施工時(shí)在下端進(jìn)行張拉索力調(diào)整。由于拉索部份產(chǎn)品結(jié)構(gòu)都已成熟定型，因此，只考慮連接耳板的結(jié)構(gòu)和受力情況。

圖3 更換吊桿結(jié)構(gòu)示意

2.1 T形連接耳板設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際工程中舊橋?qū)嶋H錨槽和布筋情況，綜合考慮加工可行性，設(shè)計(jì)連接的T形耳板結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 T形連接耳板示意

耳板柱銷孔通過(guò)柱銷與索的叉耳相連接，耳板底座處四個(gè)孔與鋼拉桿通過(guò)球形螺母球形墊板固定連接，將索力傳遞到拱端，如圖5所示。

圖5 T形連接耳板與拉索的連接示意

2.2 計(jì)算分析

采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。T形連接耳板所用金屬材料為各向同性，彈性模量E取2.10 GPa，泊松比為0.3。將柱銷加入模型中，用于做T形耳板的接觸分析。因本次主要分析T形耳板的受力情況，可將球形螺母、球形墊板視為一個(gè)整體加入模型與耳板做接觸分析。

此模型整體是軸對(duì)稱模型，為使有限元分析過(guò)程更加快捷，建立1/2模型進(jìn)行計(jì)算，劃分單元網(wǎng)格之后的模型，如圖6所示。

圖6 有限元模型單元?jiǎng)澐?/p>

T形連接耳板由球形螺母、球形墊板與鋼拉桿組件固定，張拉力通過(guò)叉耳的柱銷傳遞至連接耳板柱銷孔處，有限元分析時(shí)模擬真實(shí)構(gòu)件的受力情況，將荷載施加在柱銷上，柱銷與耳板設(shè)置為接觸分析。施加力按吊桿極限力施加，即15根1860 MPa級(jí)規(guī)格?15.2的鋼絞線的破斷力進(jìn)行有限元模擬計(jì)算，單根鋼絞線的公稱破斷力260.4 kN，在張拉力達(dá)到索的破斷力時(shí)叉耳柱銷受壓面施加的壓強(qiáng)161.4 MPa。

連接耳板的上端面通過(guò)球形墊板固定約束，將球形墊板施加約束，做球形墊板底面與連接耳板接觸，上端在叉耳柱銷處施加161.4 MPa的拉應(yīng)力，在整體對(duì)稱切割處施加對(duì)稱約束，如圖7所示。

圖7 施加拉力，約束示意

因重點(diǎn)關(guān)注T形連接耳板的受力情況，故將結(jié)果只選中連接耳板以便觀察。分析得到的Mises應(yīng)力，如圖8所示。

圖8 連接耳板Mises應(yīng)力

T形連接耳板的材料屈服強(qiáng)度785 MPa，連接耳板最大Mises應(yīng)力為573 MPa，小于材料屈服強(qiáng)度。安全系數(shù)k=785/573=1.37。即在拉索極限力的載荷作用下，此連接耳板仍有1.3倍的安全系數(shù)。根據(jù)公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范，知張拉控制應(yīng)力σcon一般采用不超過(guò)拉索極限破斷力強(qiáng)度σb的K倍（一般K值取0.4）。查看構(gòu)件沿各向的變形、應(yīng)力，將計(jì)算的結(jié)果乘以系數(shù)0.45，則張拉過(guò)程最大應(yīng)力值為229.2 MPa，785/229.2=3.4，即該結(jié)構(gòu)有超3倍的安全系數(shù)，因此該連接耳板在使用過(guò)程中是安全的。

由應(yīng)力圖可見(jiàn)應(yīng)力最大處為T(mén)形過(guò)渡交接處，綜合考慮結(jié)構(gòu)受力與加工可行性，此處設(shè)計(jì)為圓角過(guò)渡，以減小此處應(yīng)力集中，使整體結(jié)構(gòu)更加可靠。

3 吊桿更換施工

3.1 施工平臺(tái)

吊桿更換施工操作平臺(tái)分為：（1）拱上施工平臺(tái)，以鋼管搭設(shè)滿堂支架直至拱項(xiàng)；（2）吊桿下端的操作平臺(tái)，采用可移動(dòng)掛籃。

3.2 施工監(jiān)測(cè)

在主車道完全封閉交通的情況下，選擇在夜間或凌晨測(cè)定恒載狀態(tài)下吊桿安裝位置的橫梁端的實(shí)際標(biāo)高，作為吊桿更換及橋梁加固的一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，并以之作為今后加固施工完成之后加固效果的一個(gè)評(píng)定參考。橋面用精密水準(zhǔn)儀測(cè)量橋面標(biāo)高，換吊桿時(shí)隨時(shí)監(jiān)控所換吊桿對(duì)應(yīng)的橫梁處橋面標(biāo)高變化不超過(guò)±5 mm。

3.3 臨時(shí)兜吊系統(tǒng)安裝

中、下承式拱橋的舊吊桿更換常用臨時(shí)兜吊法[7]，施工設(shè)備較少，體系轉(zhuǎn)換明確。臨時(shí)兜吊結(jié)構(gòu)示意圖，如圖9所示。在更換吊桿區(qū)的拱肋兩端采用4根螺紋鋼棒箍緊，沿拱肋方向用兩根拉桿連接固定。在此構(gòu)件上方加一組同樣的箍緊裝置抗滑，兩組箍緊裝置間用鋼絞線索串聯(lián)在一起，如圖10所示。鋼絲繩跨過(guò)拱肋安裝扁擔(dān)梁，形成上兜吊系統(tǒng)，扁擔(dān)梁與梁體托梁之間通過(guò)四根精扎螺紋鋼連接。安裝完成后采用四臺(tái)千斤頂對(duì)精軋螺紋鋼進(jìn)行同步對(duì)稱張拉。張拉裝置采用一臺(tái)油泵通過(guò)四通閥控制兩臺(tái)千斤頂，保證千斤頂同步受力，如圖11所示。兜吊系統(tǒng)第一次體系轉(zhuǎn)換完成后，保持兜吊系統(tǒng)24 h靜止荷載試驗(yàn)，以檢查各部位的緊固性。

圖9 臨時(shí)兜吊結(jié)構(gòu)示意

圖10 拱肋防滑裝置

圖11 橫梁兜吊

3.4 更換吊桿

測(cè)量吊桿橋面測(cè)量點(diǎn)處標(biāo)高，按照索力值平均分力為五個(gè)等級(jí)分級(jí)進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換，每一步的轉(zhuǎn)換過(guò)程都要對(duì)吊桿橋面測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，記錄索力情況，控制標(biāo)高+5 mm以內(nèi)，符合要求后進(jìn)行下一步操作。

在橋面往上0.5 m的地方截取十公分長(zhǎng)的套管，在已截取套管處預(yù)先安裝索夾，橫梁提升到位，將索力轉(zhuǎn)移至臨時(shí)兜吊系統(tǒng)后，切割舊吊桿。由于拱肋剛度比較大，體系轉(zhuǎn)換難度比較大，為避免應(yīng)力過(guò)分集中，采用臨時(shí)吊桿分級(jí)加載，舊吊桿切除分2次循環(huán)后完成，舊吊桿的應(yīng)力轉(zhuǎn)移到了臨時(shí)兜吊系統(tǒng)之上。

從每拱最長(zhǎng)的吊桿向兩端交替逐對(duì)拆除，拆除一組舊吊桿即刻補(bǔ)上新吊桿。新吊桿安裝前，在原吊桿錨墊板上安裝新吊桿錨具的預(yù)埋墊板。安裝上端拱肋的鋼拉桿和T形連接板，如圖12所示。確定上端耳板與下端錨具螺母的安裝位置，以保證吊桿的可調(diào)節(jié)長(zhǎng)度，注意各部件的安裝控制精度。

圖12 安裝T形連接耳板

采用卷?yè)P(yáng)機(jī)輔助，利用在拱頂?shù)鯒U的安裝位置的正上方設(shè)置的拱上平臺(tái)作為起吊點(diǎn)，把卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引繩與吊桿上端連接，啟動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)緩慢的牽引吊桿，裝入叉銷索體安裝到位，如圖13所示。

圖13 吊裝拉索

吊桿張拉就是應(yīng)力轉(zhuǎn)換過(guò)程，即由臨時(shí)兜吊系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到新吊桿，轉(zhuǎn)換過(guò)程采用分級(jí)、同步進(jìn)行，每一級(jí)過(guò)程中都要對(duì)吊桿橋面測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)高，標(biāo)高控制在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。張拉加載速度一般應(yīng)小于10 MPa/min，直至張拉到要求停止，即擰緊橫梁下端的拉索螺母。

體系轉(zhuǎn)換完成之后，需要對(duì)該吊桿位置的橫梁頂面標(biāo)高進(jìn)行測(cè)量，使標(biāo)高控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。每更換完成三對(duì)吊桿后，進(jìn)行一次調(diào)索，保證新吊桿的索力和標(biāo)高誤差數(shù)值在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。當(dāng)全部吊更換完成之后，根據(jù)聯(lián)測(cè)數(shù)據(jù)確定是否進(jìn)行吊桿索力調(diào)整。調(diào)整時(shí)按1/2、1/4、1/8的程序進(jìn)行，而且四點(diǎn)同步，為了減少調(diào)整步驟和次數(shù)，在全橋調(diào)整之前應(yīng)準(zhǔn)確測(cè)量出該工況下的索力和標(biāo)高值報(bào)設(shè)計(jì)以指導(dǎo)下一階段調(diào)索的正確程序和步驟。

3.5 后期索力調(diào)整

吊桿更換完成后，對(duì)全橋吊桿橋面標(biāo)高進(jìn)行復(fù)測(cè)，換索后的吊桿標(biāo)高值與換索前的吊桿標(biāo)高值的差值控制在+5 mm的設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，結(jié)合監(jiān)控索力值，對(duì)全橋吊桿索力值進(jìn)行調(diào)整。

3.6 新吊桿防護(hù)

按設(shè)計(jì)要求對(duì)吊桿進(jìn)行防護(hù)：安裝新吊桿不銹鋼護(hù)套、防水罩及上、下錨頭保護(hù)罩；下預(yù)埋管內(nèi)填充防腐聚氨酯；拱肋上端用砂漿填平。

4 結(jié)語(yǔ)

采用ANSYS軟件對(duì)特殊連接耳板進(jìn)行有限元分析，并通過(guò)實(shí)際工程驗(yàn)證其可靠性，特殊連接耳板的結(jié)構(gòu)綜合考慮了特殊的成組鋼拉桿式橋梁的舊橋換索中的施工可靠性和便捷性，減少對(duì)橋梁原有結(jié)構(gòu)的破壞，提高橋梁的安全系數(shù)。此次更換施工于2016年1月完成，安全運(yùn)營(yíng)至今，由此證明采用這種特殊的連接耳板在舊橋換索工程中便于施工，也更安全可靠，可在同類工程中借鑒并進(jìn)一步推廣應(yīng)用。