系桿拱橋連接與約束的優(yōu)化

張洪祥

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院 重慶市 400074)

0 引言

系桿拱橋在我國橋梁建設(shè)中扮演著重要的角色，其拱肋和系梁采用混凝土或者鋼管混凝土構(gòu)件構(gòu)成，其吊桿則采用鋼絞線或者平行鋼絲構(gòu)成。吊桿受力不均、鋼絞線受到腐蝕等病害日漸突出，甚至是血的教訓(xùn)，對其結(jié)構(gòu)和更換技術(shù)進(jìn)行研究顯得尤為重要。

系桿拱橋一般是中下承式拱橋，它是由拱肋、橫向連接、吊桿和橋面系組成[1]，對系桿拱橋使用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法時(shí)，一般依照有關(guān)設(shè)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)初定參數(shù)值，然后進(jìn)行反復(fù)的計(jì)算和調(diào)整后得到可行性方案，此方案對于橋梁的整體受力和長期外部影響并不是很明確。事實(shí)上，一些國內(nèi)外專家學(xué)者就吊桿拱橋的優(yōu)化設(shè)計(jì)提出了許多的方法。比如Islam等使用EVOP全局優(yōu)化的方法優(yōu)化其拱橋的跨度和拱肋截面[2]。孫傳智認(rèn)為吊桿張力是影響系桿拱橋成橋的一個(gè)重要原因，增大其張力能改善其受力性能[3]。陳淮預(yù)測系桿拱橋吊桿的破斷壽命為3～16年，為橋梁設(shè)計(jì)使用壽命的十分之一，吊桿的更換是橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化的必然選擇[4]。

通過查閱文獻(xiàn)對系桿拱橋的受力特性和破損安全性等方面進(jìn)行總結(jié)，獲取信息并闡述安全可靠的分析理論、優(yōu)化方法及吊桿使用過程中更換優(yōu)化技術(shù)。

1 系桿拱橋的連接與約束

構(gòu)件連接保證了力在各構(gòu)件之間的傳遞，并使各構(gòu)件能夠共同受力、協(xié)同變形；約束是限制構(gòu)件或結(jié)構(gòu)全部或者部分方向自由運(yùn)動的裝置[5]。橋梁結(jié)構(gòu)的整體性是靠連接與約束共同來組建的。

在橋梁體系當(dāng)中內(nèi)部的連接是指各個(gè)構(gòu)件之間相互約束的關(guān)系，起著各結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件相互連接的作用。主要有承受拉力的柔索約束、很小摩擦力的光滑面約束等。系桿拱橋各構(gòu)件連接的材料有混凝土-混凝土、鋼-混凝土、鋼-鋼等等相同材料之間、不同材料之間的連接；系桿拱橋體系當(dāng)中的連接與約束主要有拱肋與吊桿、吊桿與橫梁、拱肋與梁端錨固等，所有的連接都是組成橋梁的關(guān)鍵部分，對于其強(qiáng)度和質(zhì)量都有極高的要求，對整個(gè)橋梁的受力分析與計(jì)算也都有重要的作用。在體系連接中可以認(rèn)為連接的成功就是橋梁的成功。

2 系桿拱橋連接與約束破壞

(1)鋼絲銹蝕與斷裂

鋼絞線的腐蝕是多種多樣的，有應(yīng)力腐蝕和疲勞腐蝕，但是無論是哪一種都會導(dǎo)致橋梁體系內(nèi)力發(fā)生變化，最終可能導(dǎo)致吊桿斷裂，造成預(yù)想不到的后果。由于保護(hù)套的老化、開裂等原因容易造成構(gòu)件內(nèi)部被水和空氣浸濕，最終導(dǎo)致橋梁吊桿鋼絲銹蝕，極易造成吊桿的受力不均勻。吊桿鋼絲銹蝕乃至斷絲直接影響到了系桿拱橋的安全性，它是吊桿承載能力下降的最根本原因。

(2)吊桿上錨箱內(nèi)積水

前期的設(shè)計(jì)考慮不周、施工工藝缺陷以及后期的養(yǎng)護(hù)管理和定期檢查不到位等原因很容易導(dǎo)致連接部件或者錨頭密封混凝土失效，讓吊桿的錨箱里雨水浸蝕，長時(shí)間的影響很容易對橋梁體系的受力狀態(tài)產(chǎn)生不良影響。

(3)吊桿錨頭銹蝕

安裝錨頭結(jié)束之后沒有使用如涂黃油、涂防銹油等來進(jìn)行除銹和防腐的處理；沒有進(jìn)行錨頭蓋板的設(shè)計(jì)來阻止雨水的侵入等都容易造成錨頭腐蝕。

無論是哪一種病害都會對橋梁體系造成致命的傷害，所以對系桿拱橋進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠優(yōu)化受力狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)即使一部分病害出現(xiàn)也能保證橋梁的正常使用。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 雙吊桿體系

單吊桿與雙吊桿是吊桿體系中不同的構(gòu)造形式。使用“結(jié)構(gòu)破損安全設(shè)計(jì)”的想法來進(jìn)行橋梁的可行性分析，能夠保證短桿在突然斷裂時(shí)，讓其余的吊桿依然能夠保證正常的運(yùn)行，為檢查和更換預(yù)留較好的時(shí)間[6]。結(jié)構(gòu)疲勞在進(jìn)行比較過程中，應(yīng)該使用線性累積損傷理論來展開詳細(xì)的論述[7]。雙吊桿即把原單吊桿設(shè)置成雙桿形式，兩桿空間距離，桿與拱肋、桿與主梁連接都很近，形成以組合受力的形式。雙吊桿的受力形式相比較于單吊桿要更加均勻，同時(shí)也能夠增加其疲勞壽命，可以實(shí)現(xiàn)一吊桿發(fā)生意外的時(shí)候，另一吊桿依然能夠滿足其結(jié)構(gòu)受力和使用功能。

通過采用雙吊桿體系，梁的其中一吊桿在發(fā)生破壞的情況下，其他沒有破壞的吊桿依然可以安全的運(yùn)行，但是在采用單吊桿體系的時(shí)候，很容易引起連鎖反應(yīng)，可能導(dǎo)致全橋的整體破壞，所以采用雙吊桿體系的橋梁安全性能夠顯著的提高，這就說明了當(dāng)橋梁的連接與約束受到一定外部因素影響時(shí)會有更多的安全預(yù)留空間，能夠保證橋梁使用壽命的延長和人的通行安全。

3.2 新增吊桿優(yōu)化

為了加強(qiáng)和提高橋梁的承載能力，讓橋梁在使用過程中能夠更好地服務(wù)于當(dāng)前的交通狀況，采用新增吊桿優(yōu)化橋梁體系能夠起到較好的效果[8]。由于新增的吊桿對原來的吊桿起到了輔助的作用，能夠讓正在損壞的吊桿所受的力變得比之前的小，橋梁的力能夠得到更加充分的利用。

在使用新增吊桿優(yōu)化中錨箱和墊板厚度應(yīng)該增加，根據(jù)實(shí)際的吊桿錨箱底口斜面的角度情況來進(jìn)行焊接制作，讓吊桿連接更加緊密。拱肋和錨箱緊密焊接，使用新型高強(qiáng)度鋼板來作為錨具錨墊板，保證局部受力合理。

為了保證新增的吊桿能夠滿足和提高其承載能力，能夠延長其使用壽命并保證整體性的安全，在吊桿下端采用新型卡板與螺母錨固相結(jié)合的方法。為了保證所有的螺栓能夠正常持久的工作，增加防銹保護(hù)罩且添加黃油，向吊桿內(nèi)部注入聚胺脂發(fā)泡劑阻水防銹等。

采用新增吊桿是對橋梁結(jié)構(gòu)體系增加其連接與約束，能更好地分擔(dān)原來的吊桿受力，達(dá)到橋梁連接與約束的整體優(yōu)化的目的，新增加的吊桿錨固受力明確，能夠減少空氣和雨水對吊桿的腐蝕，保證橋梁結(jié)構(gòu)體系受力安全，讓橋梁的安全儲備得到了進(jìn)一步提高，也能給原來的吊桿預(yù)留一定的安全空間，為橋梁吊桿的更換和加固提供可靠的安全儲備。

3.3 吊桿更換優(yōu)化

系桿拱橋的系桿是橋梁的生命線，在其兩端拱腳的水平力一定要通過它的系桿來抵消，吊桿的更換也一定要遵循橋梁的受力原則，有層次、安全地進(jìn)行更換，并保證在更換之后橋梁能夠延長其使用的壽命[9]。

在進(jìn)行吊桿更換過程中進(jìn)行數(shù)值模擬技術(shù)是當(dāng)前工程技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。在更換前期建立有限元模型，分析其各項(xiàng)內(nèi)力、變形等，在更換過程中在橋梁危險(xiǎn)截面和主要部位分布應(yīng)力及應(yīng)變控制點(diǎn)并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并與建模計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比施工，確保橋梁結(jié)構(gòu)各構(gòu)件受力、變形在可控和規(guī)范的范圍之內(nèi)。為了防止更換吊桿時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致局部破壞情況，可使用穿心式千斤頂對原吊桿進(jìn)行整體松動，然后再對稱有序地依次拔出。橋梁原有連接與約束采用超高壓水刀切割，實(shí)現(xiàn)減少各個(gè)構(gòu)件之間的震動影響，達(dá)到受力均衡。同時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)增加施工效率、節(jié)約成本、保護(hù)環(huán)境、安全施工的目的。采用高壓水射流清洗機(jī)來對穿孔索道進(jìn)行管內(nèi)壁的清洗，能夠快速、高效地進(jìn)行孔道的清理工作，為后面的吊桿的安裝提供一個(gè)可靠的連接孔道。

采用科學(xué)化、規(guī)范化的更換技術(shù)是當(dāng)前橋梁構(gòu)件更換的必然之路，它能夠保證橋梁整體的受力性能良好和安全性，能夠減少構(gòu)件在更換過程中的破損，是橋梁連接與約束在使用過程中優(yōu)化的重要工作。

4 總結(jié)

系桿拱橋在我國的橋梁建設(shè)中占了很大的比例，然而系桿拱橋的系桿安全性對整橋的安全性起著至關(guān)重要的作用。

通過三種不同優(yōu)化方式方法來對系桿拱橋的連接與約束進(jìn)行了綜述。雙吊桿優(yōu)化能夠較好地分配橋梁結(jié)構(gòu)體系的受力，讓橋梁的受力更加的明確，較于平行單吊桿體系有更好的儲備能力，讓橋梁在受到一定病害時(shí)能夠正常的運(yùn)轉(zhuǎn)；增加吊桿的優(yōu)化能夠提供較好的橋梁整體性，增加吊桿之后能夠?yàn)槔系牡鯒U提供更多的檢查空間，分擔(dān)老吊桿所受的力，讓橋梁更趨于穩(wěn)定；采用吊桿更換優(yōu)化方法能夠減少構(gòu)件相互之間的影響，提高其科學(xué)性、規(guī)范性和持久性。