钢筋混凝土拱桥更换吊杆施工过程有限元分析.pdf

2 0 1 3年第 5期 铁道建筑 Ra i l wa y Eng i ne e r i n g 文 章编 号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 3 ) 0 5 0 0 1 3 0 3 钢筋混凝土拱桥 更换 吊杆 施工过程有 限元分 析 赵 洋 ， 卢 玲。 ( 1 同济 大学 桥 梁工程系 ， 上海2 0 0 0 9 2 ； 2 华北水利水电学院 土木与交通学院 ， 河南 郑州4 5 0 0 1 1 ； 3 黄河勘测规划设计有限公 司， 河南 郑 州4 5 0 0 0 3 ) 摘 要 ： 采 用临 时 吊杆 法对钢 筋 混凝 土下承 式拱桥 吊杆进 行更换 时 ， 首先将 旧 吊杆 索力转 移到 四根 -临时 吊 杆上 ， 分批割 断旧吊杆钢丝， 拆除旧吊杆及端部锚头， 安装上新型 吊杆 ， 再将临时吊杆所承担的荷栽分批 转移到 新 吊杆上 ， 锚 固新 吊杆 ， 完成 更换 。通 过数值 方 法对 临时 吊杆 法更换 吊杆 的过程 进行 了有 限元模 拟 ， 分析结果表明临时吊杆法不仅能够保证 吊杆索力的平稳转移 ， 而且可以保证桥 梁内力和线形满足设 计 要 求 ， 是 一种安 全 、 高效 和 经济 的 吊杆 更换 方 法。 关 键词 ： 桥 梁 下承 式拱桥 吊杆更 换仿 真 分析 中图分 类 号 ： U 4 4 5 7 4文献标 识 码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 I 9 9 5 2 0 1 3 0 5 0 4 混凝土下承式拱桥 的适应性很强 ， 在我 国发展非 常迅 速 ， 已经 成为 一 种 重 要桥 型 。吊 杆是 下 承 式 拱 桥 重要的传力构件 ， 其安全性和耐久性 关系到桥梁结构 的安全与正常运营。但是 ， 早期建造的部分 系杆拱桥 由于计算理论、 设计方法和防护的不足， 或者运营过程 中维护不当， 车祸 、 人为事故和环境因素等造成 吊杆破 损 ， 有的已经到了很严重的程度而不得不更换。 目前 ， 下承式拱桥吊杆更换基本都是设置 临时替 代 ， 将被更换 吊杆的索力先转移到临时替代上 ， 拆掉旧 吊杆 ， 安装新 吊杆 ， 再把临时替代承担的荷载转移到新 吊杆上 ， 经过两次索力转移完成 吊杆更换。临时替代 大致分为“ 临时支架” 、 “ 临时吊杆” 和“ 临时兜 吊” 等 3 种 ， 对应 的吊杆更换方法分别称为“ 临时支架法” 、 “ 临 时 吊杆 法 ” 和“ 临 时兜 吊法 ” ， 其 中应用 最 多 的是 “ 临 时 吊杆法” 。临时 吊杆法不仅可 以进行单个 吊杆更 换 ， 如太 原市 滴 汾桥和 广西 邕宁 邕江 大桥 ， 还适 用 于整 桥 吊杆更 换 ， 如合 肥市 寿春 路桥 。 1 临 时吊杆 法 临时吊杆法是将旧吊杆所承担的索力暂时转移到 4根临时吊杆上 ， 拆除旧吊杆 ， 安装新 吊杆后再将临时 吊杆 所承 担 的荷 载逐 渐 转 移 到新 吊杆 上 ， 实 现 吊杆更 换 。 1 1 准备 工作 首先 ， 测定全桥索 力和标高。可采用振动频率法 收 稿 日期 ： 2 0 1 2 0 8 - 1 7； 修回 日期 ： 2 0 1 3 一 O 1 2 l 作者简介 ： 赵洋 ( 1 9 7 8 一) ， 男 ， 河南南 阳人 ， 副教授 ， 博士。 测试全桥 吊杆的索力 ， 使用高精度 的经纬仪测量桥梁 的标高 ， 作为 吊杆更换的参照 。 其次， 准备好吊杆更换过程中的配套设备 、 材料和 技 术人 员 的合理分 工 ， 如新 吊杆 、 临时 吊杆 、 钢横梁 、 张 拉千斤顶和高精度测量设备等。 最后 ， 制 作工 作平 台 ， 安 装临 时 吊杆 系统 。在拱 肋 上设置三角垫块 ， 上面放置 2根钢横梁 ， 称为上横梁； 在系梁下面设置另外 2根钢横梁 ， 称为下横梁； 将 4根 临时吊杆竖直穿过 4根临时钢横梁 ， 上端安装已经校 准标定的 4个张拉千斤顶 。临时吊杆系统的具体布置 见图 1 。 张拉千斤顶 l f 上 横 粱l I 临时 吊杆 髓粱 纵粱 、 I l 、 I 图 1 临时吊杆布置 面 杆 1 2吊杆 更换 吊杆更换时， 以索力控制为主， 以变形控制为辅 ， 保证 吊杆平稳更换 。通过对临时 吊杆进行分级张拉， 每次张拉完成后 ， 割断相应 比例的旧吊杆钢丝 ， 多次重 复上述过程， 直至卸掉旧吊杆及其端部锚头 ， 安装新 吊 杆。再交替张拉新吊杆和卸载临时吊杆 ， 直至新 吊杆 索力张拉到设计值并临时锚 固， 去掉临时 吊杆。再次 l 4 铁道建筑 监测桥梁标高， 并与设计状态和更换前进行 比较 ， 判断 是否满足要求 ， 否则需要再次调整吊杆的索力， 直到满 足要求为止 。 2 工程概况 杭州市文晖路叶青兜桥无横撑双面拱的钢筋混凝 土下承式拱桥， 主跨 为 7 1 6 m， 每面拱有 l 7根 吊杆 ， 吊杆间距为 4 m。吊杆采用 1 2 0 th 5高强平行钢丝束 锚具为现场 自制的冷铸镦头锚 ， 内灌环氧混凝土与钢 砂 。根据检测结果发现部分 吊杆内存积水、 砂浆不均 匀 、 部分钢丝裸露、 钢丝束偏移、 外层钢丝锈蚀并伴有 明显松弛现象； 吊杆下锚头轻微锈蚀 。经过专家诊断 ， 需要对全桥吊杆采用“ 临时吊杆法” 进行更换 。 3 吊杆更换 采用临时吊杆法进行 吊杆更换 的关键问题 ， 是确 定临时吊杆 的张拉次数及对应割断 旧吊杆钢丝 的比 例。张拉次数太少 ， 不利于吊杆安全更换 ； 张拉次数太 多， 效率太低 ， 工期太长。选择 5次张拉临时 吊杆和 5 批割断一根 吊杆所 有钢丝 ， 拆除一根 旧吊杆。新吊杆 张拉和临时吊杆卸载同样分 5次进行， 既兼顾了效率 ， 又保证 了安 全 。 3 1 旧 吊杆 拆除 对 3 吊杆进 行试 验性 更 换 ， 以掌握 吊杆 更 换 过程 中桥梁的内力和线形变化情况， 判断该方法的安全性 、 吊杆编号 Z 删 七 蹙 1礞 n e Z 七 黛 R 髓 畦 可行性和经济性 。由于张拉临时吊杆和割断旧吊杆钢 丝 交替进行 ， 因此 ， 一 根 吊杆 的拆 除 过程 需 要 1 0个 工 况 。表 1给 出了 3 吊杆拆 除过程 的工况 布置 。3 吊杆 的设计值 F ， d = 5 9 2 2 k N， 共有 1 2 0根钢丝。 表 1 3 。 吊杆更换的工况布置 工况 等步长更换 工 况 1 工 况 2 工 况 3 工 况 4 工 况 5 工 况 6 工 况 7 工况 8 工 况 9 工 况 1 0 张拉临时吊杆合力至 2 0 F ， 割断 3 吊杆 2 4根钢丝 再次张拉临时吊杆合力至 4 0 F ， 再次割断 3 吊杆 2 4根钢 丝 再次张拉临时吊杆合力 至 6 0 F ， 再次割断 3 吊杆 2 4根钢丝 再次张拉临时吊杆合力至 8 0 F 再次割断 3 吊杆 2 4根钢丝 再次张拉临时吊杆合力至 F ， 拆除 3 吊杆及其两端锚 头 显 然 ， 工 况 1 和 工况 2对 考察 吊杆更 换 过 程 中桥 梁 内力 和线形 变化具 有 试 验性 质 ， 对 后 续工 作 有很 大 的参考价值； 工况 9和工况 1 0对旧吊杆能否顺利拆除 具有决定意义。图2为工况 1 和工况 2时， 同侧 1 7根 吊杆索力 的变化情况 ， 图 3为 3 吊杆拆除过程中其索 力 的变 化情 况 。 唧 攥 髅 珏 E 一 ( a ) 工况 1 下各 吊杆的索力增量 ( b )工况2 下各 吊杆的索力增量 图 2两种工况下 同侧 吊杆索力增量 工况号 J 2 3 4 5 6 7 8 9 l 0 图 3 3 吊杆的索力增量 工况 1中， 3 吊杆索力减少了 7 4 4 k N， 2 和 4 吊 杆 的索力减 小 了 2 9 9 k N和 2 3 4 k N， 分别 占临时 吊杆 张拉量 1 1 8 4 4 k N的 4 8 2 ， 2 5 2 和 1 9 8 ， 其余 吊杆的索力变化量很小 ， 可以忽略不计 。可见， 张拉临 时吊杆的合力并没有完全转化为 3 吊杆索力 的减少 量。工况 2中各 吊杆的索力基本得 到恢 复。工况 9 中 ， 3 吊杆 索力减 少 了 5 0 2 9 k N， 两 侧的两 根 吊杆分别 减少 了 5 8 9 k N和 4 6 2 k N， 3 吊杆 减少量 占临 时 吊杆 张拉量 的 8 6 0 ； 工况 1 0中 3 吊杆的索力全部转移 到临时吊杆上 ， 其它 吊杆的索力恢 复到原来状态 。这 m o 枷 珈 0 0 2 0 1 3年第 5期 赵洋等 ： 钢筋混凝土拱桥更换 吊杆施工过程有 限元分析 1 5 主要是 因为在对临时吊杆进行张拉时 ， 拱肋稍有下沉 ， 系梁略有上抬， 吊杆缩短 ， 变形集中在 3 吊杆附近 ， 两 侧 吊杆受到的影响较大。 工况 9中桥 梁 各部 的变 形 最 大 ， 系 梁 和 拱肋 的最 大竖 向变 形分 别 为 0 1 5 m m 和 一 0 1 8 mm， 吊杆 的最 大缩短 量 为 0 3 3 m m， 均 1 m m。但是 在 割 断 相应 比 例 的钢丝 或拆 除 旧 吊杆后 ， 这 种变 形又 得到 恢复 ， 保证 吊杆更 换顺 利进 行 。 3 2新 吊杆安 装 在拆除旧吊杆凿除两端锚头后 ， 安装并张拉新 吊 杆 ， 把 临 时 吊杆 所 承担 的荷 载平稳 转移 到新 吊杆 上 ， 该 过程 是 吊杆拆 除 的逆 过 程 。 因此 ， 同样 分 5次 张拉 新 吊杆 和 5次对 临时 吊杆卸 载 ， 共 l 0个 工况 。图 4和 图 5给 出了 3 吊杆 更换 全过 程 中其索 力 的变 化情 况 和 系 梁 、 拱 肋 与 吊杆 的 变形 情 况 。 图 中工 况 0为 换 吊杆 前 的初始状态 ， 1 1 O表示拆除 3 旧吊杆的 1 O个工况 ， 1 1 2 0表 示 安装新 吊杆 的 1 O个工 况 。 在 吊杆安 装过程 中 ， 吊杆 的索力 比对 应拆 除过程 中 的要大 ， 系梁变形基本恢复， 而拱肋略有抬高， 吊杆略有 伸长。究其原因， 是因为新吊杆的弹性模量比旧吊杆的 6 0 0 5 0 0 Z 4 o o 3 0 0 篓2 0 o 巳 1 0 0 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 l 8 2 0 工况号 图 4 3 吊杆 更换全 过程 中索力变 化 图 5 3 吊杆更换过 程中变形 增量 大， 面积比旧吊杆小 ， 吊杆的伸长量增大所致。但是吊 杆 的 伸长量 增 大不足 0 3 I n m， 并 不影 响桥 梁 的线 形 。 3 3 全 桥 吊杆 更换 由于单侧吊杆更换时不会对另侧拱肋的内力和变 形 产 生 明显影 响 ， 因此 ， 吊杆 更 换 时 两 片 拱 肋 分 别 进 行 。在对一片拱肋内各 吊杆进行更换时 ， 既可从两端 向中间对称进行 ， 也可从 中间向两端对称进行 。这里 采用从 两端 向中间对 称进 行更 换 。 吊杆全部更换后 ， 各吊杆索力和换前基本一致 ， 相 差最大的是 1 吊杆 ， 索力减小 了 3 1 1 k N 。系梁、 拱肋 和吊杆的最大变形增量均发生在 9 吊杆处 ， 分别下降 1 0 0 mm， 上 升 0 2 8 m m 和 伸 长 1 2 8 m m， 完 全 满 足 公路工程质量检验评定标准 ( J T G F 8 0 1 -2 0 0 4 ) 的 要 求 4 结 论 采用临时 吊杆法进行下承式拱桥 的吊杆更换 ， 不 仅能使被更换 吊杆的索力平稳地从旧吊杆上转移到临 时吊杆 ， 再由临时吊杆转移到新吊杆上， 实现吊杆更换， 而且可以保证桥梁各部的内力和线形不发生过大变化， 必要时还可以通过调整吊杆索力调整桥梁线形。可见， 临时吊杆法是一种安全、 高效 、 经济的吊杆更换方法。 参 考 文 献 1 张挺 广西 邕宁 邕江大桥短 吊杆更换施 工 J 山西交通 科 技 ， 2 0 0 4 ( 3 ) ： 4 7 - 4 9 2 蒋洪新 ， 姚 胜秦 拱桥 吊杆 体 系损 伤 检测 J 铁 道 建筑 ， 2 0 0 8( 9) ： 3 6 3 8 3 赵大亮 ， 李爱群 ， 缪长青 ， 等 既有 公路桥梁评估方法研 究现 状 J 工程抗震 与加 固改造 ， 2 0 0 7 ， 2 9 ( 1 ) ： 7 2 7 8 ， 6 0 4 单成林 拱桥 吊杆 的更换 设计及 施工 方法 J 中外 公路 ， 2 0 0 6 ， 2 6 ( 4 ) ： 1 5 1 1 5 3 5 张瑞 杰 ， 刘世忠 预应力 混凝 土系杆拱桥 的振 动特性 J 工 程抗震 与加固改造 ， 2 0 0 7 ， 2 9 ( 3 ) ： 6 - 9 ， 1 3 6 赵洋 ， 焦红波 混 凝土 系杆拱 桥 吊杆 更 换施 工 J 施工 技 术 ， 2 0 1 1 ( 9 ) ： 3 3 3 6 7 邴玉旭 ， 王世祥 成渝 高速公路 内江提篮拱桥 吊杆更换施 工 J 世界桥梁 ， 2 0 0 8 ( 4 ) ： 6 0 6 3 8 冯敏棉 ， 杨兵 ， 赵林 强 系杆拱 桥 吊杆更 换设计 J 城 市道 路 与防洪 ， 2 0 0 5 ( 2 ) ： 6 O - 6 2 9 陈雷 拱桥 吊杆 更换 过程受 力分 析 J 桥 梁检 测 与加 固， 2 0 1 0 ( 1 ) ： 3 1 3 4 ( 责任审编 赵其文) 目 枷罂