飞燕式系杆拱桥维修加固施工监控技术研究

赵雪芹

摘要：绵阳涪江三桥为主跨202m的飞燕式系杆拱桥，其系杆使用近19年，已接近设计使用年限，且大桥出现了吊杆锚头局部锈蚀、主拱肋脱空、桥面板破损等病害。为保证桥梁运营安全，对该桥进行了系杆原位更换、桥面系更换、锚固端拆除等方面的维修加固。由于该桥维修加固方案具有较多的风险及不可控因素，为使加固后的结构状态满足设计要求，利用midas civil软件建立全桥有限元模型，分析结构现状，对系杆更换阶段、锚固端拆除阶段进行施工控制。

关键词：飞燕式；系杆更换；旧桥加固；施工监控；

1概述

涪江三桥于1997年10月建成通车，是四川省内涪江上最长的一座公路及城市交通兼容的特大型桥梁。其主孔跨布置为46+202+46m，总体布置见图1。桥面布置为4×3.75m（行车道）+2×3.0m（非机动车道及人行道）主桥宽26.2m。引桥宽22.5m。主拱肋为4-φ750钢管混凝土构件，主拱肋中间距17.55m，拱轴线采用高次抛物线，矢跨比为f/L=1/4.5。桥面系以上拱肋断面高3.5m，宽2.05m，拱内填筑40号混凝土，为实心截面；桥面系以下拱肋断面高3.6m，宽2.15m，钢管拱肋外包40号混凝土，为空心箱型截面。边拱肋为钢筋混凝土构件，拱轴线为悬链线，拱轴系数为1.3，断面为2×2.2m。系杆为不可更换结构，锚固在拱肋上，锚固长度大16.8m。该桥经过近19年的运营，出现了吊杆锚头局部锈蚀、主拱肋脱空、桥面板破损等病害，且系杆也已接近使用年限。2015年的绵阳市涪江三桥适应性评定检测报告指出该桥已不能满足正常使用功能，建议进行维修加固。通过该桥病害及相关数据分析，确定北大友谊桥的维修加固方案为：将原桥锚固段全部拆除后重新浇筑，切除原系杆之前，将原系杆作用转换在临时系杆和边拱的临时支撑上，原飞燕拱的锚固位置重新浇筑和埋植钢管和锚具，最后逐渐将新增的成品系杆张拉替换掉临时系杆，达到成桥状态。绵阳涪江三桥维修加固时具有较多的风险及不可控因素，本次系杆更换为国内首例，国内外类似此次维修加固的监控资料难以找到。本文结合涪江三桥结构特点及维修施工过程，对桥梁结构现状进行计算分析，并对维修加固施工过程进行施工控制，以指导施工，为大桥未来的维修养护以及运营分析提供数据参考。

图1 涪江三桥总体布置

2计算模型

采用MIDAS CIVIL2015建立全桥仿真计算模型，拱肋、桥面连续铺装、吊梁、纵梁、纵梁间湿接缝、拱座、桥墩和桩基采用梁单元模拟，吊杆和系杆采用桁架单元模拟，其几何尺度值均按原设计图纸采用，全桥一共41种截面类型。共计1716个节点，3023个单元。全桥计算模型见下图。

3系杆更换施工控制

该桥维修加固施工过程主要分为3个阶段：准备阶段、第一次体系转换阶段、第二次体系转换阶段三个阶段，即：

（1）准备阶段（计算分析）。建立全桥有限元模型，对涪江三桥系杆更换全过程进行仿真模拟。同时对桥梁细部复杂受力部位进行受力分析，确保每一个结构部位和施工阶段整体结构状态处于安全和合理范围。

（2）第一次体系转换阶段（旧系杆拆除、临时系杆张拉）。主要包括：1)建立现场几何监测系统；2）对旧系杆预应力放张过程进行施工监控；3）对临时系杆张拉过程进行施工监控；4）对边拱锚固段截除，支架顶撑过程进行施工监控。

（3）第二次体系转换阶段（临时系杆拆除、新系杆张拉）。主要包括：1）对临时系杆放张过程进行施工监控；2）对新系杆张拉过程进行施工监控；3）对边拱锚固段混凝土模架浇筑进行施工监控；4）对边拱桥面铺装过程进行施工监控。

3.1 维修加固前

涪江三桥系杆更换维修加固过程中，桥梁结构整体荷载变化较大，它的施工难度也随之增加。故在考虑施工控制之前，对涪江三桥做如下结构分析：

（1）涪江三桥在系杆的两次更换过程中，桥梁整体受力变化较大。体系转化过程中，将原系杆54880kN的巨大水平力需要全部转移到拱脚处的临时系杆，结构受力将发生巨大变化。由于旧系杆的切除与新系杆的张拉对整个桥梁受力影响很大，因此需对其过程进行施工控制，保证桥梁的结构安全。

（2）边拱肋在系杆更换期间也存在多次结构体系变化。其在施工过程中的应力变化较为复杂，且边拱在成桥后将承担拱上部荷载，并且需传递系杆对拱脚平衡推力。因此需对边拱在施工过程中的线形变化及应力波动重点监控。

（3）边拱肋下方临时钢支撑体系受力变化复杂。旧系杆切除后，边拱处于无预应力状态，需搭建边跨临时支撑体系，边拱受力完全转移到临时支撑上。保证边跨在原系杆卸载过程中，结构处于安全可控状态；因此需要对临时支撑体系进行监测。

3.2第一次体系转换

该阶段首先搭设边拱段的临时支撑，然后将原系杆逐步切断，与此同时分批张拉临时系杆，将原边拱肋支撑在临时支架上，利用临时系杆平衡主拱推力。根据该阶段的施工特点，以主拱肋、拱座和边拱支撑架的变形控制为主，系杆内力调节为辅的方式进行。基本目标是保证在该阶段主拱肋的变形和稳定性控制在安全值范围内。

3.3第二次体系转换

该阶段将原飞燕拱段系杆锚固段拆除，然后重新浇筑该段处的边拱和桥面为一体，利用支撑回顶和新系杆张拉调整边拱应力和主拱拱肋线形。根据该阶段的施工特点，以系杆索力控制为主，主拱肋的成桥线形和桥面线形为辅的方式监控和调整。

在该阶段体系转换施工过程中，主要做以下监控工作：

a.主桥及边拱施工过程详细工况分析，确定各阶段（包括成桥阶段）理想目标线形；

b.新浇混凝土锚固段水热化温度及应力监测；

c.设计参数或误差因素敏感性分析，确定主要误差参数；

d.校核最不利状态下结构物安全，对承载能力薄弱的构件预警。

上述各项工作中，因为边拱拱顶需要重新浇筑，浇筑施工及张拉新系杆的过程对边拱的内力及几何变形影响很大，故上述工作中边拱及现浇锚固段的的应力应变测量是监控工作的重点。

3.4 边拱肋回顶

涪江三桥为46m＋202m＋46m中承式飞燕式系杆拱桥，单束系杆张拉力高达1845kN，原来由系杆承担的近54880kN水平力全部释放，边拱肋处于无预应力状态，边拱肋为钢筋混凝土构件，拱轴线为悬链线，拱轴系数为1.3，断面为2×2.2m。由3.3.2节对边拱肋的数值模拟分析可知，在系杆更换过程中，边拱肋应力一直处于变化之中，特别是在旧系杆的拆除过程中，边拱肋所承受预应力逐渐减小，边拱肋产生下挠，拱肋上缘拉应力逐渐增大，为保证边拱肋结构的安全，需要对边拱肋采取往上顶升的办法。

4.结语

通过在涪江三桥系杆更换中进行施工控制，保证桥梁结构的受力均处于安全状态，施工安全得到了保障。从涪江三桥成桥结果看，内力分布合理，线形顺畅，满足设计和规范要求，实现了预期的施工监控目标。

参考文献:

[1] 黄勇.中承式系杆拱桥系杆加固方案必选[J].公路工程,2010，35(6):66-81.

[2] 杨齐海,季跃华.大跨钢管混凝土系杆拱桥更换系杆施工[J].施工技术,2006,35(3):62-63.

[3] 王生武; 李泽东; 任伟新.一座飞燕式系杆拱桥的有限元模型修正[J].中外公路,2020, 40(06).

单成林.拱桥吊杆的更换设计及施工方法[J].中外公路,2006,26(4):151 -153.

[4] 赵洋,焦洪波.混凝土系杆拱桥吊杆更换施工[J].施工技术,2011,40(348):33-36.

[5] 赵雪芹.绵阳涪江三桥系杆更换施工监测与控制技术研究[D].西南科技大学,2018.