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钢管砼拱桥吊杆更换施工控制技术陈思甜 , 王静 ,龚尚龙(重庆交通学院 ,重庆 400074)摘 要 :以乐山市沙湾大渡河大桥的维修加固为依托工程 ,采用 MSC. Marc2001 高精度非线性分析软件对吊杆更换过程进行仿真分析 ,制定出相应的施工控制方法 ,其成功经验对类似的维修加固工程有参考价值 .关 键 词 :钢管砼拱桥 ;吊杆更换 ;施工控制中图分类号 :U448125 + 5 ;U44517 + 2文献标识码 :B文章编号 :10012716X(2005) 0220012206钢管砼拱桥是我国近年来桥梁建筑发展的新技术 ,具有自重轻 、强度大 、抗变形能力强等优点. 它比 较好地解决了修建桥梁所需求的用料省 、安装重量轻 、施工简便 、承重能力大的矛盾 ,是大跨度拱桥的 一种比较理想的结构形式 ,所以自 1990 年在四川旺 苍建成跨度 115m 的国内第一座钢管砼拱桥以来 ,发展迅猛. 但由于诸多原因 ,在对早期已成部分桥的 检测中 ,钢材料部分锈蚀情况较严重 , 应力损失较大 ,不能满足正常安全营运需要 ,所以应进行维修加固 . 因钢管砼拱桥是一种较新的桥型 ,对其维修加固 的研究不多 ,本文以四川乐山沙湾大渡河大桥的维修加固工程为实例 ,介绍钢管砼拱桥吊杆更换的施 工控制技术.1111工程概况原桥总体概况乐山市沙湾大渡河大桥主跨为 150m 的下承式图 1 主桥的立面示意钢管砼系杆拱桥 ,矢跨比 1/ 5 ( 图 1) . 桥位东起乐山市沙湾城区建设路 ,并沿建设路中线方向延伸横跨 大渡河 ,接于右岸的山咀. 桥梁全长 366m ,引桥为 825m 预应力砼空心板. 桥面建筑宽度 18m ,其中行车道 为 9m. 吊 杆 采 用 15124 钢 绞 线 , 两 端 用YM15 12 锚具 ,上端锚具采用夹片锚固 ,下端锚具 采用锁头器锚固 ,并设有可调节横梁高度的螺母. 主桥共 19 对吊杆 ,吊杆间距为 715m. 吊杆的防护采用 热挤 PE 塑套 ,桥面以上 215m 内及穿过拱肋处采用钢管防护.该桥设计荷载为汽 20 级 ,挂车 100 ,人群 315kN/ m2 .112 病害情况根据西南交通大学结构实验中心 2002 年 7 月 出具的检测报告 ,大桥吊杆部位病害情况如下 :吊杆 的 PE 管已普遍老化变形 ,部分 PE 管内已有积水 , 钢绞线锈蚀普遍较重 ,断面损失最大达到 34188 %. 吊杆下锚头锈蚀较重 ,已有部分出现渗水现象 ,钢绞 线也已严重锈蚀. 部分吊杆未戴螺帽. 防护钢管内的 PE 管内大部分灌浆不密实且有积水 ,钢绞线严重锈 蚀 . 系杆锈蚀也十分严重. 结论是系杆及吊杆应予更换 . 原桥面线形基本理想 ,但跨中位置稍偏低. 本文只讨论吊杆的更换控制技术.113 工程目标在保证原桥整体性的前提下更换全部旧吊杆 ,由川交公路勘设院加固设计 ,在更换过程中控制吊 杆张拉力不超出设计范围 ,并通过调整各受力杆件的受力状态 ,最终获得较理想的桥面线形.锚吊杆. 其上端采用 557 的高强钢丝束 ,钢丝强度为 1670MPa ,采用热挤塑 PE 包裹 ,预计每根吊杆的 设计拉力为 1400kN 左 右. 钢 丝 束 下 端 采 用 工 厂 镦头 . 拱上锚头采用现场镦头 , 下端横梁中设置 40Cr合金棒 ,直径为 80 .全桥共 38 根吊杆全部进行更换 ,吊杆更换按以 下程序进行 (图 2) :1) 设置临时兜吊系统 . 采用钢丝绳将横梁直接兜吊在主拱上 .吊杆更换施工工艺新吊杆型号为 OVMDM7 55 , 为组合式镦头2图 2 吊杆更换工艺流程2) 拆除旧吊杆. 钢绞线分批次断掉 , 每断掉一 次 ,进行一次标高测量 ,割断旧吊杆后该控制点的标 高比兜吊前降低量一般控制在 2cm 范围内. 在割断 旧吊杆的过程中要对临时兜吊系统进行适当的补 拉 ,以平衡原吊杆力.3) 吊杆的安装. 现场丈量吊杆长度 ,并留够吊杆 的工作长度和镦头长度 ,再对成品钢丝束下料.4) 新吊杆张拉 . 每根吊杆按照监控组给定的控制标高及张拉力进行张拉 .3 吊杆更换施工控制方法311 仿真分析结合施工承包单位的施工工艺及兜吊和张拉方 法 ,监控组采用美国 MSC 公司研制的三维非线性仿真分析软件 Marc2001 对吊杆更换过程的内力 、应力 进行了较详尽的分析. 采用的混合模型为 :桩及承台 简化为梁单元 ,墩 、台为 8 节点三维实体单元 ,主拱肋为梁单元 ,横梁及车行道为梁单元 ,腹杆 、支撑为 桁架单元 ,系杆及吊杆为桁架单元. 分析过程考虑了 系杆及吊杆的大变形影响 ,依据设计加载程序逐级计算. 本文仅以依次更换 10 # 、9 # 、11 # 、12 # 吊杆为 例进行仿真分析. 图 3图 10 为吊杆更换过程的模拟计算结果.图中折线上数字表示不同工况. 1 表示起始状 态 ,2 、3 、4 、5 分别表示 10 # 吊杆兜吊 、割断旧吊杆 、张拉新吊杆 、放松兜吊 ,6 、7 、8 、9 分别表示 9 # 吊杆兜 吊 、割断旧吊杆 、张拉新吊杆 、放松兜吊 ,10 、11 、12 、13 分别表示 11 # 吊杆兜吊 、割断旧吊杆 、张拉新吊图 3 10 # 横梁桥面竖向位移历程图#图 4 10 新吊杆张拉应力历程图杆 、放松兜吊 ,14 、15 、16 、17 分别表示 12 # 吊杆兜吊 、#由图 3 可看出 ,更换其左右相邻的 9 及 11 吊杆对 10 # 吊杆处桥面标高的影响均较明显 ,而更换间隔的 12 # 吊杆对 10 # 吊杆处 桥 面 标 高 几 乎 无 影 响 . 由图 4 所示 10 # 吊杆的拉力受其左右相邻的 9 #及 11 # 吊杆更换的影响较明显 , 受 12 # 吊杆更换的 影响极 小. 由 图 5 、图 6 表 明 更 换 其 间 隔 的 11 # 及12 # 吊杆对 9 # 吊杆处桥面标高及吊杆拉力影响极 小 .综合图 3图 10 ,各吊杆的拉力及各吊杆处桥面标高仅受左右相邻两吊杆更换的影响 ,与其间隔 的吊杆更换的影响可忽略 .和标高双控原则进行监控 .图 7 11 # 横梁桥面竖向位移历程图图 5 9 # 横梁桥面竖向位移历程图图 8 11 # 新吊杆张拉应力历程图图 6 9 # 新吊杆张拉应力历程图312 施工控制方法吊杆更换工程是为了用新吊杆置换原吊杆上的 拉力 ,力求完工后新吊杆达到吊杆的原设计拉力值.但维修加固工程在施工过程中要注意保持桥梁的整 体稳定 ,要避免因桥面变形过大而导致开裂 ,因此在 更换过程中要控制吊杆张拉力不超出设计范围 ,同时进行标高监测 ,将桥面标高变化控制在一定范围 内 . 基于此 ,在具体施工过程中 ,监控组按照张拉力图 9 12 # 横梁桥面竖向位移历程图在吊杆更换过程中 ,监控组进行全程监控 , 对工程中出现的情况做出及时调控. 监控组根据电 算所得出的内力 、应力及预拱度计算值初步确定吊质量. 不同项目遇到的此类问题不尽相同 ,在此仅将在钢管砼拱桥加固工程中具有一定普遍性的几个问 题及解决方法简介一下.兜吊时 ,兜吊绳与横吊梁接触面间应安设防护垫块 ,以确保横梁及兜吊绳不受损伤. 经过综合考 虑 ,防护垫块采用厚钢管剖开加焊角钢 ,要求角钢紧贴钢筋砼横吊梁 ,钢管紧贴钢丝绳.鉴于钢管砼拱桥吊杆锈蚀主要是由于上下锚头 处渗水引发 ,所以要重视上下锚箱的处理. 在取出旧 吊杆时 ,需要割除原吊杆上锚头垫板 ,然后凿开原锚箱中的砼. 按加固设计图在锚箱底板上扩孔 ,焊接新 的钢导管 ,在上张拉端增加埋设扩大导管 ,内直径比 墩头锚杯大 24mm ,钢导管与扩大导管间采用钢板 焊接密封. 待锚箱砼达到设计标号 75 %以上后 , 焊 接上端新锚垫板 ,要求新锚垫板与砼表面紧密接触.新增垫板坡口与周边的缀板及上弦钢管焊接 ,为避 免三向焊缝相交 ,在新锚垫板的四角切 30 30 的斜角 . 吊杆下锚端处于横梁底部原有槽口内 ,在原有预 埋的锚垫板的基础上增设一块 20mm 厚的钢垫板 ,其内径不宜过大 ,以保证锚杯有足够的抵承面积. 吊杆下锚环应加设锁紧螺母或锁紧插销 . 破断旧吊杆 后 ,在钻取下端横梁中旧吊杆及锚头时 ,禁止长时间大面积氧割 ,避免高温对横梁造成损伤 . 锚箱内砼的 质量也直接影响吊杆的防腐效果 ,因此要重视锚箱 内砼的施工质量. 清除上锚箱内原有砼 ,用空压管将 箱内吹干净 ,严格按照 C40 砼配合比由现场技术员 指导拌制 ,FDN 掺量为水泥的 017 %0175 %. 要求采用 30 便携式振捣棒振捣密实. 砼浇筑后派专人浇 水养护 2d. 为了缩短工期 , 监控组改进了砼的配合比 , 采 用 重 庆 达 华 砼 泵 送 剂 , 两 天 强 度 达 到3217MPa ,大于 C40 砼强度的 80 % ,因此在派专人养 护一天后即可焊锚垫板.图 10 12 # 新吊杆张拉应力历程图杆张拉力. 同时考虑到现有桥面线形不规则 ,在原桥 面标高的基础上采用三次抛物线方程拟合曲线作为 控制目标 ,力争按新线形标高将桥面调整在合理的 误差范围内.在系杆更换前 ,采用弦振法对旧吊杆拉力进行 测试 ,以对后期的吊杆更换工作起到参考作用.拆除旧吊杆时 ,12 股钢绞线分 4 批断掉 , 每断 掉 3 股钢绞线 ,进行一次标高测量 ,割断旧吊杆后该控制点的标高比兜吊前降低量控制在 2cm 范围内.与此同时要对临时兜吊系统进行拉力补偿 ,以平衡 原吊杆力 ,控制桥面标高的变化值.新吊杆采用 250t 千斤顶配精密油表在拱肋上 端张拉. 标高的调整量还考虑了桥面整体性及兜吊引起挠度损失等影响 ,为避免桥面开裂及吊杆拉力过大 ,在吊杆更换张拉时拉力不宜超过 800kN ,每对 吊杆按照监控组给定的控制标高及张拉力进行张拉 .为了实时监测各新吊杆的拉力 ,监控组在主桥 两端的 4 根短吊杆的下锚固端安 1500kN 永久式压 力传感器 ,该传感器用 40Cr 合金制成 ,外表镀锌防护 ,可 供 运 营 阶 段 拉 力 监 测. 在 其 余 34 根 吊 杆 的40Cr 合金棒上粘贴振弦式应力传感器.在吊杆更换张拉的过程中 ,由于多种条件的限 制 ,一次难以将标高调整到位 ,部分吊杆通过二次张拉完成调整工作. 二次调整中同时采用两台千斤顶 对同侧相邻两吊杆进行张拉调整. 对于拉力偏差较大的吊杆也通过二次张拉进行调整. 在二次调索时 拉力不宜超过 900kN.313 加固工程需注意的问题维修加固工程与新建工程在施工中一些流程不 同 ,因此会新增一些问题 ,在施工监控中对这些问题要引起重视 ,对其采取一些特殊措施 ,才能保证工程监控成果及分析施工控制过程中 ,设置临时兜吊 、割断旧吊杆 、 张拉新吊杆 、松兜吊各工序都进行了标高监测 ,张拉 新吊杆 、拆除兜吊后对新吊杆拉力进行了跟踪测试.其结果显示 ,由于施工时采用单根兜吊 ,造成不同吊 杆之间相互交叉影响较大. 每根吊杆施工都会引起相邻三根吊杆的标高变化 ,且通过拉力测试 ,发现后 换吊杆施工也会对相邻已换新吊杆的拉力造成影 响 ,这使得新吊杆张拉时的张拉控制力 、控制标高与 预期完工后的值有一定的差别. 通过数据分析 ,监控 组在给定张拉控制力与标高时考虑了施工过程中的这种交叉影响 ,在调索后的测试中 ,新吊杆拉力和桥 面标高与预期值吻合较好. 为减小维修工程中的这种交叉影响 建议在以后的钢管砼拱桥吊杆更换工4程中采取上下游两根同时兜吊的方式 ,按照从桥台向跨中的顺序进行作业.完工后对全桥进行了普测 ,其结果如表 1 所示.采用钢弦计测试新吊杆内力 ,最大拉力为 84119kN ,最小拉力为 52512kN ,平均在 660kN 左右 ,拉力值均在正常的承载能力范围内 .表 1 为吊杆更换后吊杆拉力及桥面标高成果 ,16 # 吊杆拉力最低 ,上游为 52512kN ,下游为 53214kN ,表 1 乐山市沙湾大渡河大桥吊杆更换成果汇总上游下游吊杆编号预期理想标高张拉力 完工后普初张拉后高程调索后高程标高偏差张拉力 完工后普 初张拉调索后高程标高偏差( kN)测拉力 ( kN)( kN)测拉力 ( kN) 后高程41218341218394121848412185741218654121873412188412188641218924121896412189941219412194121898412189541218941218824121873742147061966411717156221860718562147811280819841197721956315614145871167213525125481658412412182241218541218574121859812186341218841218674121863412184841218624121876412188441218974121899412189241219154121894412187412182241218541218574121859412186341218841218784121872412187441218964121941218941218974121899412189241219154121894412187- 01008010110100901002- 0100201007- 01002- 01014- 01018001001- 0101- 0100301001- 010030102501012- 0100387312541116031252916589135561370515587187571283516822116151864418633175791153214637176821241218294121852412185741218741218674121884412187341218841218554121872412187641218964121902412189941218941219074121879412187412183412185412186412187412187412188412187412188412187412191412191412194121941219412189412191412188412187- 010010101301009010130100201011- 01011- 0101- 010180101601006010020100201001- 0100501017- 01003- 01003123456789101112131415161718800800750800700800650900900950900650700750750500600700800600700550700620800700850900900750750800700500700800 19 4121861 800 69416 4121848 4121848 - 01013 750 74419 4121857 412186 - 01004 其主要原因是 16 # 吊杆位置原有桥面标高较高 ,需要降低该处标高 ,张拉时只需达到承担自重的最低 拉力即可. 旧吊杆 17 # 上游拉力为 420195kN ,综合理论分析结果及旧吊杆的拉力状况 ,新吊杆最低拉力值是满足使用要求的. 原桥面标高跨中部位偏低 ,为 了改 善 线 形 , 通 过 二 次 调 索 适 当 提 高 了 8 # 、9 # 、10 # 、11 # 的张拉力 ,10 # 上游拉力值最大 ,竣工完后实测拉力为 84119kN , 该值仍在吊杆正常的承载力范围内.标高基本上达到预定的控制标高要求 ,由于桥 面整体铺装及兜吊系统附加变形大等因素的影响 ,最大偏差 16 # 上游侧吊杆处高 215cm ,8 # 吊杆处低118cm. 与既有的桥面标高相比 ,其线形已得到了较 好的改善. 桥面线形示意如图 11 所示.图 11 桥面线形示意图吊杆更换的影响可忽略 . 为确定每根吊杆的控制标5结语高及控制拉力提供了较好的理论依据 .2) 采用表面式钢弦计粘贴于每根吊杆的铬合金 棒上测新吊杆拉力 ,最大拉力为 84119kN ,最小拉力为 52512kN ,普遍为 660kN 左右. 拉力均在其正常的 承载能力范围内.3) 监控组提供的控制标高较为合理 ,更换全部此次维修加固工程采用施工与监控相结合的模式 ,对整个工程按质按期完成起到了很重要的作用 ,该桥已通过荷载试验 ,恢复通车. 将监控主要成果归 结如下.1) 监 控 组 应 用 三 维 非 线 性 仿 真 分 析 软 件 Marc2001 对吊杆更换过程的内力 、应力进行了较详 尽的分析 ,结果表明各吊杆的拉力及各吊杆处桥面 标高仅受左右相邻两吊杆更换的影响 ,与其间隔的#旧吊杆 19 对 共 计 38 根 , 二 次 调 索 仅 需 对 8 、9 、#10 、11 4 对吊杆进行补张拉 ,共占用 2d 时间完成调索工作 ,缩短了工期.4) 标高基本上达到预定的控制标高要求 ,由于 桥面整体铺装及兜吊系统附加变形大等因素的影响 ,最大偏差为 16 # 上游侧吊杆处高 215cm ,8 # 吊杆 处低 118cm ,其余位置标高偏差在 115cm 以内. 与既有的桥面标高相比 ,其线形已得到了较好的改善 ,桥 面平顺.本钢管砼拱桥的维修加固工程 ,在施工中遇到的一些技术问题极具代表性 ,对这些问题的处理为 今后同类桥梁的吊杆更换积累了一定的经验 . 在工 程中拆除旧吊杆时遇到的问题 ,对今后钢管砼拱桥吊杆的可更换式设计提出了要求.感谢乐山市沙湾区交通局对本项目研究工作的资助 ,感谢成都华川公路工程建设公司在监控实施工作中的合作 .参考文献 :1陈宝春 . 钢管混凝土拱桥设计与施工 M .交通出版社 ,1999.北京 : 人民陈宝春 . 钢管混凝土拱桥实例集 1 M . 北京 :人民交通出版社 ,2002.蒙 云 . 桥梁加固与改造 M . 重庆 : 重庆大学出版社 ,1989.杨文渊