某大跨度鋼管混凝土拱橋的吊桿更換

廖剛初,唐咸遠(yuǎn)

(1.柳州市市政設(shè)施維護(hù)管理處,廣西 柳州 545006;2.廣西工學(xué)院土木建筑工程系,廣西 柳州 545006)

鋼管混凝土拱橋?yàn)橐环N梁拱組合體系橋。因其造型美觀、造價(jià)低廉、施工方便而倍受人們喜愛。這種體系橋最致命的弱點(diǎn)是其橫梁直接吊掛在吊桿上,而吊桿多又采用預(yù)應(yīng)力鋼絲或鋼絞線,依靠鋼絲或鋼絞線的預(yù)應(yīng)力來抵抗荷載作用。一座橋中哪怕只有少數(shù)鋼絲斷裂都可能造成災(zāi)難性的后果。早期鋼管混凝土拱橋限于當(dāng)時(shí)的拉索技術(shù)工藝水平,其吊桿端部一般只是采用現(xiàn)場(chǎng)灌注水泥砂漿防護(hù)鋼絲(鋼絞線 ),造成該處(特別是下端 )鋼絲銹蝕非常嚴(yán)重,往往10年左右就不得不考慮更換吊桿。本文以某城市鋼管混凝土拱橋?yàn)槔?介紹了吊桿狀況檢測(cè)、更換吊桿的設(shè)計(jì)與施工方法。

1 工程概況

某城市鋼管混凝土拱橋于 1995年建成通車,是一座主跨為三孔凈跨 108m鋼管混凝土拱結(jié)構(gòu)的城市橋梁(圖 1)。由于鋼管混凝土拱橋在當(dāng)時(shí)是一種較新的橋型結(jié)構(gòu),且橋的設(shè)計(jì)、建造年代較早,因而在某些細(xì)部的設(shè)計(jì)理念、施工工藝、工程材料選取上均存在一定局限性。

圖1 橋跨布置

2 吊桿檢測(cè)

為了保證橋梁的正常運(yùn)營(yíng),該橋已經(jīng)運(yùn)行了 8年后,在2001年四川宜賓小南門橋事故后全國開展吊桿拱橋檢查的背景下,市政設(shè)施維護(hù)管理處 2002年委托某工程公司進(jìn)行專項(xiàng)檢測(cè)。檢測(cè)的內(nèi)容主要有:詳細(xì)檢查三根吊桿的鋼絲索、錨頭;檢測(cè)全橋吊桿索力;計(jì)算全橋的模態(tài)。

在詳細(xì)檢查三根吊桿的鋼絲索、錨頭的情況后發(fā)現(xiàn):吊桿上端錨頭錨杯內(nèi)外均由混凝土充填飽滿,鋼絲鐓頭部分無銹蝕;在梁下端錨頭附近梁體表面均有長(zhǎng)期滲水痕跡,錨頭下方有水滴出,打開錨頭蓋板,均有積水流出,錨杯內(nèi)鋼絲滴水,錨頭部分銹蝕嚴(yán)重,鋼絲鐓頭部分有銹蝕;吊桿的PE管均有環(huán)向裂縫,吊桿鋼絲銹蝕較嚴(yán)重,蜂窩銹坑較普遍。為保證橋梁的結(jié)構(gòu)安全和正常使用,必須對(duì)全橋的墩頭錨吊桿進(jìn)行更換并加固橋梁。

3 吊桿更換的設(shè)計(jì)

2006年 7月開始對(duì)該橋進(jìn)行加固設(shè)計(jì)工作。主要的設(shè)計(jì)內(nèi)容有:人行道更換及伸縮縫的更換;吊桿橫梁的加固;吊桿的更換、結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)。下面重點(diǎn)介紹更換吊桿的設(shè)計(jì)。

3.1 新更換的鋼絞線成品吊桿設(shè)計(jì)要求

3.1.1 絞線吊桿的設(shè)計(jì)要求

吊桿預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用符合(GB/T 5224-2003)標(biāo)準(zhǔn)的高強(qiáng)低松弛鋼絞線s15.2,其標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度 fpk=1860MPa;單根鋼絞線應(yīng)滿足 200萬次 837～ 477MPa應(yīng)力幅疲勞荷載后不斷絲的要求;成品吊桿應(yīng)滿足《斜拉橋熱擠聚乙烯高強(qiáng)鋼絲拉索技術(shù)條件》(GB/T 18365-2001)各項(xiàng)指標(biāo)。

3.1.2 絞線吊桿錨具的設(shè)計(jì)要求

鋼絞線成品吊桿所采用的錨具應(yīng)滿足《預(yù)應(yīng)力筋用錨具、夾具和連接器》(GB/T 14370-2004)I類錨具要求,但應(yīng)注意疲勞實(shí)驗(yàn)應(yīng)力幅要求提高至 200 MPa;錨固工藝應(yīng)保證在動(dòng)載下有可靠的防止松動(dòng)、滑移的性能;錨具本身以及錨具與索體接頭部分應(yīng)有可靠的防腐措施。

3.1.3 鋼絞線吊桿HDPE防護(hù)層的設(shè)計(jì)要求

吊桿 HDPE護(hù)套的顏色采用白色,其物理性能及其他各項(xiàng)指標(biāo)應(yīng)符合(GB/T 18365-2001)及《建筑纜索用高密度聚乙烯塑料》(CJ/T 3078-1998)的要求。

3.2 新更換的吊桿系統(tǒng)其它設(shè)計(jì)要點(diǎn)

(1)設(shè)計(jì)采用吊桿兩端均設(shè)球鉸錨頭,以減少吊桿系統(tǒng)擺動(dòng)約束,增大體系固有頻率;與此配合,要求吊桿上下減震體應(yīng)采用容許有限彈性變形的材料,既要保證足夠強(qiáng)度以隔絕吊桿跟外套鋼管又要保證吊桿可稍微整體變形;

(2)設(shè)計(jì)在最短吊桿及相鄰吊桿以及最長(zhǎng)吊桿錨下預(yù)置6組壓力傳感器,便于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)索力并比較索力分配情況;

(3)設(shè)計(jì)將吊梁內(nèi)預(yù)埋鋼管向上延伸至橋面以上 1m以便于防水,并采用局部封閉吊桿處吊梁頂段人行道下空室的方式以進(jìn)一步利于防水;

(4)要求在每根吊桿的吊梁預(yù)埋鋼管伸出橋面處增設(shè)專門的防水罩。

3.3 更換吊桿的選擇

由于橋梁原設(shè)計(jì)中采用的吊桿為 5-127絲平行鋼絲墩頭錨吊桿,該吊桿的錨頭較小,原設(shè)計(jì)中的預(yù)埋管內(nèi)孔直徑僅為 158mm,且由于在最初施工中各種施工設(shè)備及施工經(jīng)驗(yàn)有欠成熟,導(dǎo)致上下預(yù)埋管之間的同軸度偏差比較大。綜合考慮各種因素后,該橋的設(shè)計(jì)采用 OVM.GJ15-19鋼絞線整束擠壓吊桿作為新吊桿。該型吊桿在滿足施工簡(jiǎn)潔方便的前提下,還增加了安全系數(shù),且作為一種新型的全隔離防腐吊桿,避免了平行鋼絲吊桿中的腐蝕擴(kuò)散性,具有良好的抗腐蝕效果。該型吊桿可以通過上限 0.45σb,應(yīng)力幅為250MPa的疲勞試驗(yàn)。其錨頭外徑為 140mm,對(duì)于新橋施工可使預(yù)埋管尺寸減小,對(duì)于舊橋換吊桿施工更能充分保證吊桿的索力滿足設(shè)計(jì)要求。

4 吊桿更換施工

更換吊桿采用拱頂提升平臺(tái)張拉千斤頂抬升橫梁的方案,整個(gè)施工過程包括舊吊桿拆除、新吊桿安裝、張拉調(diào)索、防護(hù)處理等四個(gè)工序。各工序的具體步驟及注意事項(xiàng)如下。

4.1 舊吊桿的拆除

(1)吊桿的拆除依據(jù)對(duì)稱的原則,從每拱跨兩端向跨中交替逐對(duì)拆除,每拆除一對(duì)舊吊桿,則相應(yīng)的換上一對(duì)新吊桿。從北邊第一個(gè)拱開始,每個(gè)拱吊桿施工順序 2#※ 8#※3#※7#※ 6#※ 5#※ 1#※ 9#(如圖 2)。拆除一根舊索立即換上新吊桿。在拆除吊桿的過程中,應(yīng)時(shí)刻監(jiān)測(cè)橋面的標(biāo)高,如出現(xiàn)較大的變動(dòng)應(yīng)立即停工,待查明原因并確定處理方案后方可繼續(xù)施工。

圖2 吊桿布置

(2)在橋面下橫梁的吊桿處組裝工作平臺(tái),安裝好輔助索提升系統(tǒng)中的梁底托架。在組裝過程中要注意保持兩側(cè)平衡,防止橫梁產(chǎn)生傾斜。

(3)在拱肋上安裝吊梁提升系統(tǒng)。提升系統(tǒng)由精軋螺紋鋼緊固摩擦錨固系統(tǒng) +輔助索提升系統(tǒng)組成。錨固及提升系統(tǒng)組成構(gòu)件的安裝、焊接要牢固,以避免在張拉輔助索時(shí)系統(tǒng)有過大的變形、滑移、傾斜。系統(tǒng)拼裝完畢后應(yīng)按設(shè)計(jì)噸位進(jìn)行試張拉。輔助索張拉千斤頂可視更換吊桿的實(shí)際施工空間設(shè)置在拱頂或橋面處。

(4)輔助索用工具夾片臨時(shí)錨固并進(jìn)行單根預(yù)緊。為了保證安全,施工單位要經(jīng)過充分驗(yàn)算吊梁提升系統(tǒng)。

(5)用千斤頂對(duì)輔助索進(jìn)行整體張拉。張拉時(shí)要求對(duì)上下游輔助索同時(shí)同步進(jìn)行張拉。本階段應(yīng)綜合實(shí)測(cè)舊吊桿拉力、吊點(diǎn)的高程變化等參數(shù),實(shí)時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)張拉拉力進(jìn)行調(diào)整。張拉輔助索應(yīng)分級(jí)緩慢進(jìn)行,要求實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橫梁吊點(diǎn)處標(biāo)高,其上下變化值與相鄰跨吊點(diǎn)的高程變動(dòng)差不超過 ±1 cm。設(shè)計(jì)給出僅在結(jié)構(gòu)自重工況下計(jì)算的吊桿力設(shè)計(jì)值,該值僅供換索時(shí)確定張拉力以及換索后成橋各索力調(diào)整時(shí)參考,換索時(shí)應(yīng)注意綜合實(shí)際機(jī)具及支架的重量并結(jié)合實(shí)測(cè)索力及標(biāo)高進(jìn)行調(diào)整。

(6)輔助索達(dá)到設(shè)計(jì)拉力后,用切割機(jī)在橋面處割斷部分舊吊桿鋼絲,觀測(cè)橋面標(biāo)高變化,在確認(rèn)兜吊系統(tǒng)承擔(dān)后割斷橫梁頂面的舊吊桿。

(7)拆除橫梁底錨具。通過拱肋工作平臺(tái)吊住舊吊桿,割斷吊桿上端,將上部吊桿錨具拆除。

(8)清理拱肋上的錨腔以及橫梁端部的錨槽。

4.2 新吊桿的安裝

(1)用鋼尺現(xiàn)場(chǎng)量出吊桿上下錨點(diǎn)的距離,綜合考慮設(shè)計(jì)采用錨具體系的不同要求以及拱肋內(nèi)斜高的區(qū)別,精確計(jì)算出各根吊桿實(shí)際所需的下料長(zhǎng)度。

(2)按實(shí)際所需長(zhǎng)度對(duì)吊桿進(jìn)行下料并安裝錨杯,將新吊桿運(yùn)至橋面攤開平放。注意對(duì)外PE護(hù)套以及錨頭螺牙的保護(hù)。注意吊桿的長(zhǎng)度應(yīng)測(cè)量準(zhǔn)確,切割平整。

(3)吊裝新吊桿由拱肋下方向上穿入孔道中,吊桿穿出后繼續(xù)上提,直到方便采用卷揚(yáng)機(jī)或手葫蘆將下部吊桿紐件從橫梁上方穿入橫梁孔道內(nèi)為止。吊桿穿孔完成后先進(jìn)行上端錨具安裝,上端固定后旋緊下端錨具螺帽。

4.3 張拉調(diào)索

(1)依次安裝好聯(lián)接套、張拉桿、撐腳、千斤頂,進(jìn)行張拉預(yù)緊。

(2)初張拉吊桿至 30MPa后卸壓,放松兜吊系統(tǒng)至不受力狀態(tài)。張放過程注意上下游吊桿同時(shí)同步,在張拉過程中對(duì)吊桿索力及標(biāo)高進(jìn)行雙控,要求橋面標(biāo)高上下位移不得超過設(shè)計(jì)允許范圍(±1 cm)。放松兜吊系統(tǒng)后實(shí)測(cè)橫梁標(biāo)高。

(3)根據(jù)計(jì)算的調(diào)整標(biāo)高值對(duì)吊桿再次張拉,將橫梁調(diào)整到設(shè)計(jì)標(biāo)高。

(4)每跨全部吊桿更換完畢后,要根據(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 4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,以正確指導(dǎo)下一階段調(diào)索的程序和步驟。

(5)新吊桿張拉加載速度一般應(yīng)小于10MPa/min,直至張拉到設(shè)計(jì)要求停止,然后擰緊螺帽。

在張拉過程中,讀數(shù)測(cè)量要準(zhǔn)確,記錄要全面,真實(shí)無誤。

(6)由于所有 l#、9#短吊桿上下預(yù)埋管之間的同軸度偏差比較嚴(yán)重,且拱底至橋面之間的凈空很小 ,外露的自由部分最小的只有約 50 cm長(zhǎng),加上人行道 (車行道)距該索處的拱弦頂?shù)木嚯x比較短,不足以采用滑車 +手拉葫蘆的兜吊系統(tǒng)施工更換舊吊桿,最終采用了增加扁擔(dān)梁的方式進(jìn)行兜吊及體系應(yīng)力轉(zhuǎn)換,抽取鋼絲、鉆孔的施工與其他吊桿相似,終于順利的完成了全部舊吊桿的更換。

4.4 防護(hù)處理

新吊桿張拉調(diào)節(jié)完成后,拆除臨時(shí)兜吊系統(tǒng),安裝防水裝置開始對(duì)吊桿進(jìn)行防護(hù)處理:安裝吊桿上下端保護(hù)罩;向吊桿錨杯及上下端保護(hù)罩內(nèi)灌防腐油脂。

5 小結(jié)

在對(duì)橋吊桿的更換施工過程中,2#～8#吊桿進(jìn)行得比較順利,l#及 9#吊桿由于上、下預(yù)埋管的同軸度偏差較大,且拱底與橋面的凈空很小,在清理預(yù)埋管內(nèi)混凝土及梁的兜吊上存在一定的施工難度,經(jīng)過各方的團(tuán)結(jié)努力,按期順利完成了全部吊桿的更換施工。更換后的新吊桿索體外徑為 102 mm,比舊吊桿索體外徑 79mm略大,增強(qiáng)了吊桿與橋拱的整體協(xié)調(diào)性,使橋梁看起來更加美觀大方。

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