三跨下承式钢管混凝土拱桥吊杆更换关键技术与施工_江新.pdf

Construction&DesignForProject工程建设与设计1引言系杆拱桥结构美观，适应性和跨越能力强，经济性能好，近20多年来在全国各地大规模建造。吊杆是该类拱桥的主要承重构件，受早期施工工艺、设计条件等因素的制约，部分桥梁存在吊杆防腐性能低、防腐工艺落后，吊杆内部锈蚀成为影响结构使用寿命和运营安全的重要因素之一，吊杆一旦出现断裂，后果极其严重1。依据JTG B012014公路工程技术标准第6.0.11条规定，桥梁吊杆设计使用年限为20年，该类桥梁已经陆续进入吊杆更换养护周期。吊杆更换是一项复杂的工程，对结构的影响也较为复杂，部分还需要在正常运营的状态下进行，施工安全性要求极高。本文结合南京某三跨下承式钢管混凝土系杆拱桥吊杆更换施工实践，介绍新吊杆的选择、临时吊杆系统的设计、吊杆更换时受力体系的转换控制、保护性混凝土切割等关键技术。同时，介绍吊杆更换施工监控要点，为同类桥梁工程养护施工提供参考。2项目背景大桥全桥全长843.54 m，主桥计算跨径76.5 m+86.5 m+76.5 m。主桥桥面全宽34 m，双向6车道。主桥上部结构为三跨下承式钢管混凝土系杆拱桥，拱轴线为二次抛物线，矢跨比1/4.5。桥面板为厚度20 cm预制40#混凝土实心板，通过现浇湿接头与横梁连接，桥面铺装整体化现浇。主桥上部结构由拱肋、系梁、横梁、吊杆、风撑、桥面系等部分组成。拱肋采用钢管混凝土，断面形式为圆端形扁管，拱肋横向宽度为2.4m，高度中跨为1.3 m，边跨为1.2 m。风撑采用钢管，风撑横向宽度1.8 m，竖向高度1.0 m，横向放置，每跨4道。拱肋钢管由厚度为20 mm的16Mn钢板制成。拱肋内浇灌40#微膨胀混凝土，形成钢管混凝土结构。系梁为2.5 m2.5 m的箱形预应力混凝土结构，并带有2 m的单侧悬臂，混凝土标号为50号。吊杆共56对，其中中跨20对，间距4.1m，两边边跨各18对，间距4m。每根吊杆由187根5 mm高强钢丝外包PE套组成。吊杆为工厂生产，现场安装，采用镦头锚，单端张拉。该大桥建成于1998年，至今已运营23年。根据检测结果，可判断吊杆总体技三跨下承式钢管混凝土拱桥吊杆更换关键技术与施工Key Technology and Construction of Suspender Replacement forThree Span Through Concrete Filled Steel Tubular Arch Bridge江新（江苏东南工程咨询有限公司，南京 210016）JIANG Xin(Jiangsu Southeast Engineering Consulting Co.Ltd.,Nanjing 210016,China)【摘要】以南京某三跨下承式钢管混凝土系杆拱桥更换吊杆为例，介绍新吊杆的选择、临时吊杆系统的设计、吊杆的更换，索导管内混凝土切除等关键技术的研究，介绍了吊杆更换的施工监控要点，供同类桥梁工程养护维修时参考。【Abstract】Taking the replacement of Suspenders for a three span through concrete-filled steel tubular tied arch bridge in Nanjing as anexample,this paper introduces the selection of new suspenders,the design of temporary suspender system,the replacement of suspenders,the removal of concrete in cable ducts and other key technologies,and introduces the key points of construction monitoring of suspenderreplacement,which can be used as a reference for the maintenance of similar bridge projects.【关键词】系杆拱桥；吊杆更换；关键技术【Keywords】tied arch bridge;suspender replacement;key technology【中图分类号】U448.22【文献标志码】A【文章编号】1007-9467（2023）04-0162-04【DOI】10.13616/ki.gcjsysj.2023.04.049【作者简介】江新（1969），男，江苏南通人，高级工程师，从事公路桥梁工程咨询研究。162术状况较差，尤其吊杆防护层老化和下锚头锈蚀问题突出，且吊杆已使用23年，处于超设计年限服役状态，对桥梁结构安全构成严重威胁，因此，需开展吊杆的全面更换工作。3吊杆选型3.1原吊杆技术参数原设计吊杆张拉端为现场墩头，上、下索导管规格为150 mm4 mm，上、下锚垫板开孔直径均为140 mm，根据施工时的设计修改通知单，为便于施工，吊杆两端墩头锚改为工厂加工，现场直接安装，吊杆位置处拱肋下缘开孔直径增大至203 mm，上、下索导管规格改203 mm8 mm，索导管内径为187 mm。原吊杆采用1875 mm大节距扭绞型平行钢丝索体，钢丝抗拉强1 570 MPa。查原桥梁设计期规范JT/T 61994斜拉桥热挤聚乙烯拉索技术条件，1875 mm平行钢丝抗拉强度1 570 MPa，其破断索力为5 765 kN。由于现场镦头锚锚固端防腐效果难以保证，容易诱发锚头积水、锈蚀等问题，该类型吊杆目前已经淘汰。3.2新吊杆的选择根据最新规范GB/T 183652018斜拉桥用热挤聚乙烯高强钢丝拉索，如仍选用5 mm平行钢丝，保证公称破断索力不小于5 765 kN，则需选用1515 mm平行钢丝，钢丝抗拉强度1 960 MPa，其对应公称破断索力为5 811 kN。查规范GB/T 183652018斜拉桥用热挤聚乙烯高强钢丝拉索附表B.1，对应5 811 kN破断力，选用PESM-6200规格型号锚具，其锚杯外径为210 mm，建议预埋管尺寸245 mm10 mm。而本桥实际预埋管内径仅为187 mm，按规范锚具规格无法安装。考虑到平行钢丝冷铸锚锚头尺寸较大，无法穿过原索导管，为满足桥梁既有构造条件，并综合考虑吊杆的防腐性能、疲劳性能，本工程最后采用GJ钢绞线整束挤压吊杆体系，该体系组成及特点如下。1）索体由若干根环氧喷涂无黏结钢绞线组成，每根无黏结钢绞线有3层防护（环氧涂层+防腐油脂+PE护套），每根钢绞线之间相互隔离，钢绞线整束缠包高强聚酯带再挤包外层PE护套。2）锚头采用整束挤压的方式，锚头尺寸较小，能够满足桥梁既有构造的要求，并且具有锚固可靠、张拉调索方便、疲劳性能好等特点。该吊杆体系相比传统的平行钢丝吊杆体系，具有锚头结构更加紧凑、锚头及索体疲劳性能好、防腐性能优异等特点。查规范JT/T 8502013挤压锚固钢绞线拉索，保证破断索力不小于5765kN，选用GJ15-25规格挤压锚固钢绞线。其锚杯外径（拱桥吊杆）为160 mm，预埋管直径（参考值）为172 mm，可以适用于本桥，新老吊杆参数对照见表1。表 1新旧吊杆参数对照表吊杆型号单位质量/（kg/m）吊杆外径/cm公称抗拉强度/MPa破断索力拉力/N既有：1875 mm 平行钢丝新制：GJ15-25 挤压锚固钢绞线28.833.348.712.51 5701 8605 7656 5003.3新吊杆下料长度的确定现桥梁运营已经23年，吊杆现场实际长度可能与竣工资料存在一定偏差，在工厂对钢绞线下料制索前，利用全站仪对现场荷载+活载作用下的吊杆实际长度进行测量并记录对应温度。对于上拱肋内部的构造及尺寸，通过打开拱肋盖板、凿除拱肋填充混凝土后进行测量，并结合全站仪和三维扫描仪测量结果计算吊杆长度。根据新制吊杆钢绞线的实测弹模、断面规格以及温度影响确定钢绞线无应力长度作为下料长度2。4临时吊杆的设计本桥采用临时吊杆替代方式进行吊杆更换。临时吊杆系统由上横梁、中横梁、下横梁、预应力钢绞线、精轧螺纹钢和千斤顶等组成。在原吊杆两侧共设置4束7-75 mm钢绞线和4根50 mm精轧螺纹钢作为临时吊杆。在拱顶新增检修走道台阶上安装上横梁，每根吊杆处设置两个上横梁，在吊杆的系梁底部设置下横梁，支托住系梁。临时吊杆预应力钢绞线穿过上横梁与中横梁进行连接，临时吊杆精轧螺纹钢向下延伸穿过系梁悬臂和桥面板对中横梁和下横梁进行连接。钢绞线上下端分别通过锚具锚固于上横梁和中横梁上，精轧螺纹钢上下两端分别锚固于中横梁的千斤顶上和下横梁，形成张拉系统。张拉构造由下至上分别为锚固螺母、液压千斤顶及张拉螺母。锚固螺母设置于中横梁顶面，用于张拉后对精轧螺纹钢进行固定，张拉螺母设置于千斤顶活塞上方，用于对精轧螺纹钢进行张拉。4根临时吊索配不小于100 t的4个千斤顶，选用同规格的千斤顶，从而保证顶升时千斤顶顶出量、回落量基本一致，有效控制顶升量不同步现象。本工程要求配套油泵同步顶升电动油泵，从而保证千斤顶同步控制，千斤顶应有锁定保险装置，防止漏油时突然回落。此临时吊杆优点是：将临时吊杆Construction Technology工程施工技术163Construction&DesignForProject工程建设与设计张拉构造设置于桥面上方中横梁的顶面，方便工人在桥面上通过中横梁进行吊杆受力体系转换作业，极大地改善了以往在拱顶操作的缺点，增强作业空间的安全性和可操作性。5吊杆的更换吊杆的更换过程实际也是两次受力体系转换的过程，通过临时吊杆张拉，原吊杆卸载，将原有吊杆内力转至临时吊杆上，在新吊杆安装就位后，通过新吊杆张拉、临时吊杆卸载将原吊杆内力转移到新吊杆上，完成吊杆更换施工。5.1原吊杆卸载方式的选择优先采用分级张拉、分级卸载的方式对原吊杆索力进行卸载，若达到张拉终止条件且原吊杆螺母未松动时，则采用分级张拉、分级切割原吊杆的方式对原吊杆索力进行卸载。实施过程中需要对桥面竖向位移、吊杆索力进行实时监控。本桥梁打开上锚头发现，该桥旧吊杆拱肋上导管及锚头均被高强水泥浆灌注，同时防水罩内及下导管内同样被高强灌浆料灌注满，因此，该桥在旧吊杆拆除过程中较为困难，特别是临时吊杆体系与旧吊杆体系索力转换过程中，采用拧松上螺母用千斤顶油泵逐级将旧吊杆索力转换的方式难以实现。为此，实际施工中用氧割设备分3次切割旧吊杆，同步分3级张拉临时吊杆的方法，进行旧吊杆与临时吊杆的受力转换。5.2张拉与卸载合理分级原吊杆拆除阶段与新吊杆安装阶段的临时吊杆及吊杆张拉、卸载均须进行合理分级。合理分级的目的：一是使张拉或卸载引起向上的位移与向下的位移大致相等，即每级张拉与卸载后桥面标高基本保持不变，且最大位移值满足结构安全的要求；二是使相邻吊杆索力在每级张拉与卸载后变化最小，且过程中引起的最大索力处于安全范围。以每级张拉与卸载后吊点处竖向位移保持不变为控制条件，计算得到临时吊杆张拉（临时吊杆卸载）A与原吊杆卸载（新吊杆张拉）B的力值之比。同时，为保证施工过程中结构安全，张拉与卸载的分级数不少于两级，且控制吊点处竖向位移不超过3 mm。合理分级以及位移计算结果见表2。5.3原吊杆上下锚头的拔除、索导管混凝土的清理在吊杆切断以后，需要拔出上、下锚头，为避免因锚头的拔出力过大对大桥拱肋造成损伤，需确定一个合理的拉拔终部位索号成桥索力/kNA(临时吊杆张拉)/B（原吊杆卸载）分级力值/kN竖向位移/mmA 临时吊杆张拉B 原吊杆卸载临时吊杆张拉或原吊杆卸载中拱上游半幅1#2#3#4#5#6#7#8#9#10#6411 4511 3991 4481 4651 4291 4991 5091 4631 5211.061.161.211.211.211.201.191.191.191.182333333333313.5457.9435.8450.4456.6446.2468.9472.5458.4476.7296.3394.8361.0371.5378.9372.6393.6397.9386.7402.70.020.170.300.460.620.740.901.001.041.11边拱下游半幅1#2#3#4#5#6#7#8#9#8761 4241 3591 3851 3451 4201 4251 3861 5301.061.171.221.221.221.211.201.201.20233333333427.8447.8421.8429.5417.9442.2444.4432.6477.8403.1382.2345.5350.8343.6366.1369.5360.5398.90.030.160.290.440.571.181.361.431.65表 2张拉与卸载合理分级计算值164【收稿日期】2022-06-14表 3主要监控内容及方法监控目标监控内容监控方法维持施工前后原有结构状态桥面线形控制不同时段不同温度多次测量桥面线形拱肋线形控制不同时段不同温度多次测量拱肋线形吊杆内力控制与计算索力对比吊杆更换施工过程中结构安全桥面高程控制位移量+时长吊杆内力监测更换吊杆+相邻吊杆+临时吊索混凝土应力监测通过位移量控制止值。拉拔的终止值通过计算混凝土与索导管、原吊杆黏结力来确定，经计算上锚头的终止值为1 290 kN，下锚头的终止值为2 180 kN。拉拔前需要先对索导管内混凝土进行掏除，上锚头处掏除深度不少于50 cm，下锚头拆除前，利用风镐等工具从桥面向下破除索导管内部混凝土，破除深度不小于1 m。锚头拔出后，需要采用薄壁水钻机对拱肋及梁底导管内开孔，开孔必须顺直，开孔不能破坏原有导管，开孔直径不小于180 mm，满足新吊杆的安装尺寸。该项工作由于作业空间狭小，混凝土的强度高，需要选择合理、高效的设备来完成。本项目实际施工中尝试了很多设备，最后选用HILTI品牌型号DD200钻机，基本满足一天清理一索的进度要求。钻机开孔时，必须在下部设置接物桶，防止钻孔水泥块及钻头等直接坠落。6施工监控本桥主桥结构形式为拱桥，吊杆更换施工过程中结构体系将随施工阶段的不同而变化，结构将经历两次受力转换过程。吊杆更换施工过程中可能存在着许多误差对成桥目标的实现产生干扰，需要通过吊杆更换施工过程中的各项测试数据与理论数据和预警目标值进行比较分析，确保各结构安全。同时，本桥吊杆更换施工过程中仍保持桥面车辆正常运营，这对于施工过程中的结构安全要求非常之高。施工监控目的主要为维持施工前后原有结构状态和保证吊杆更换施工过程中的结构安全。维持施工前后原有结构状态可通过监控施工前后桥面线形、拱肋线形、吊杆内力3个方面实现。吊杆更换施工过程中结构安全可通过监测结构桥面标高、吊杆内力、混凝土应力等指标保证3。6.1主要监测内容及控制方法根据项目吊杆更换设计要求，对梁体、拱肋、吊杆等关键部位的变形、内力进行监测，对监测数据进行分析，从而指导施工。主要监测内容及控制方法如表3所示。6.2监测精度应满足施工图设计及施工规范要求1）施工前通过监测温度、日照等环境影响因素的分析，在施工监测结果中合理剔除其影响，确保各监测项目所获得的信息准确可靠。2）施工控制实行以桥面标高（线形）和吊杆内力双控制，以桥面标高控制为主。吊杆更换完成后重新复核桥面高程（线形）、拱肋线形和测定吊杆内力，并与原桥面高程（线形）、拱肋线形和设计计算吊杆内力进行比较，吊杆内力允许偏差参照JTG F80/12017公路工程质量检验评定标准 第一册 土建工程吊杆内力偏差应10%，个别极值偏差应20%；高程允许偏差依照设计要求为-35 mm（考虑温度修正），以保持更换前后结构的受力状况基本不变。监测精度应满足施工过程中梁体、吊杆力变形测量精度要求，变形测量精度不应低于0.5 mm。7结语吊杆作为系杆拱桥关键的传力构件，结构受力复杂，吊杆更换过程技术难度较大，影响因素较多。对于三跨下承式钢管混凝土系杆拱桥，从吊杆类型选择、临时替代方式设计、临时吊杆张拉分级，索导管内混凝土切除设备等关键技术的研究，同时加强施工过程的监控，保证了入吊杆顺利更换和桥梁结构安全。【参考文献】1陈思甜,王静,龚尚龙.钢管混凝土拱桥吊杆更换施工控制技术J.重庆交通学院学报,2005(2):12-17.2单成林.拱桥吊杆的更换设计及施工方法J.中外公路,2006(4):151-153.3黄国兴.中承式钢管混凝土拱桥吊杆更换设计与施工J.公路交通科技(应用技术版),2011,7(2):95-99.Construction Technology工程施工技术165