海洋环境下钢管拱桥吊杆无损伤更换技术研究

李健   李帅群

摘要：为解决钢管混凝土拱桥吊杆更换中拱肋损伤问题，设计了一种抱箍式自平衡锚固装置，通过ABAQUS有限元软件验算该构件受力的合理性与结构的安全性，并应用于G526岱山段江南大桥维修加固工程。结果表明：本文提出的钢管拱桥吊杆更换技术能够有效地避免施工产生的拱肋损伤，并提高施工效率。

关键词：钢管混凝土拱桥；吊杆更换；无损伤；抱箍式自平衡

中图分类号：U448.22           文献标志码：A

引言

拱桥历史悠久，是重要的桥梁类型之一，也是我国公路桥梁中常常采用的桥型。近年来，随着拱桥技术的不断发展，钢管混凝土拱桥作为一种钢-混组合结构，不但充分发挥了钢与混凝土两种材料的特性，而且显著提高了拱桥的施工效率，因此在国内受到广泛应用[1]。随着桥梁服役年限的增长，吊杆病害愈发严重。作为连接拱肋和桥面系的重要构件，吊杆的安全性、耐久性关系到拱桥结构的安全与使用。多数桥梁垮塌事故都与吊杆病害密切相关，如2011年新疆库尔勒孔雀河大桥桥面垮塌，2019年台湾南方澳跨港大桥连续倒塌等[2]。为了提高桥梁结构的耐久性和稳定性，需对吊杆进行更换。

目前拱桥吊杆更换的方法主要为设置临时替代，可分为临时支架法、临时吊杆法、临时兜吊法[3]。临时支架法是在需要更换的吊杆处搭设临时钢支架，通过钢支架代替被更换的吊杆支撑纵梁，适宜于地质条件较好、便于安装支架的桥型。临时吊杆法是安装临时悬吊固定装置，通过新老吊杆与临时吊杆间的内力转化完成更换，但该方法在成桥前需提前预留好临时吊杆的孔位[4]。本文就吊杆更换中拱肋损伤问题，设计了一种抱箍式自平衡锚固装置，通过ABAQUS有限元软件验算了该构件受力的合理性与结构的安全性，并以G526岱山段江南大桥维修加固工程为背景，通过现场实际施工，验证了该装置与相应钢管拱桥吊杆无损伤更换施工工艺的可行性。

1工程背景

江南大桥位于舟山市岱山县境内，全长599.04 m，桥梁上部结构主桥为跨径192 m的中承式钢管混凝土桁架拱桥。全桥36根吊杆因受到海洋环境影响，下锚头均出现不同程度腐蚀现象，被评为4类构件，需对全桥吊杆进行更换。

由于江南大桥所处地理位置特殊，长期受海水环境影响，钢管表面的损伤往往会造成结构的腐蚀，因此吊杆更换时需尽量避免钢管表面完整性破坏以及钢管内部混凝土开裂等原结构损伤问题。

图 1江南大桥主桥立面图

2抱箍式自平衡锚固装置模型

2.1 尺寸参数

抱箍式自平衡锚固装置由调节螺杆、平衡箱、销轴、上抱箍、下抱箍、螺母构成，如图2所示。工作时，抱箍通过高强螺栓固定在拱桥弦杆上，同时将水准尺放置在平衡箱上，调节各个螺母使调平块保持水平状态。

抱箍式自平衡锚固装置抱箍的内径为700 mm，外径为750 mm，长1300 mm。抱箍处布置两个100 mm短销轴，用来连接平衡箱，布置一个300 mm长销轴，用来连接调节螺杆。平衡箱主体部分长500 mm，宽115 mm，高265 mm，中部为工字型截面，并布置3组加劲板。调节螺杆长900 mm，半径30 mm。

图 2抱箍式自平衡锚固装置结构示意图

2.2 材料参数

抱箍式自平衡锚固装置抱箍、调节螺杆、平衡箱、销轴采用Q345钢材，连接螺栓采用Q460高强钢。若钢材处于多轴应力状态，其等效应力计算如下：

（1）

式中，、、为三个不同方向的主应力。

为简化计算，材料属性均采用双折线模型，该模型认为材料在到达屈服点A点前，应力与应变线性相关，斜率为弹性模量E。在材料到达屈服点后，屈服点A与峰值点B间的应力与应变呈另一种线性关系，斜率一般取0.01倍的弹性模量或根据试验测量结果输入对应参数。

2.3 相互作用与边界条件

抱箍式自平衡锚固装置工作时，上抱箍、平衡箱、调节螺杆相互间采用销轴连接，因此，销轴与上抱箍、平衡箱、调节螺杆采用接触，法向为硬接触，使接触端之间不能发生穿透行为，切向无摩擦。上下抱箍与拱肋间也采用接触，切向摩擦系数设置为0.3，摩擦公式采用“罚”，模拟抱箍与拱肋间的摩擦作用。由于实际工程中，拱肋在抱箍挤压作用下变形较小，为了简化计算，将拱肋部分设置为刚体，忽略拱肋的挤压变形。

上下抱箍采用螺栓连接，因此需对螺栓施加预紧力，模型采用降温法施加螺栓预紧力，计算降温值是利用温度产生的线应变与轴力产生的线应变相等的原则建立的，公式如下：

（2）

式中：为需要施加的降温值；N为螺栓预紧力；A为螺栓的截面面积；为螺栓膨胀系数；E为螺栓弹性模量。

通过设置临时固结模拟抱箍式自平衡锚固装置安装过程，并将拱肋通过参考点永久固结。根据实际工程情况，给平衡箱施加压强荷载，大小取2.3 MPa。

2.4 网格划分

为节约计算成本，对受力及变形较大的抱箍式自平衡锚固装置采用较为精细的网格，平衡箱网格精度为14 mm，调节螺杆网格精度为15 mm，抱箍网格精度为17 mm。对于不考虑变形的拱肋采用较大网格，网格精度为40 mm。模型主要采用C3D8R六面体单元，调节螺杆局部不规则区域采用四面体单元。关于网格划分共61232个单元，如图5所示。

图 3抱箍式自平衡锚固装置网格划分结果

2.5 计算结果

图6给出了抱箍的应力云图，抱箍式自平衡锚固装置最大应力主要集中在螺栓孔附近，为295.8 MPa，小于钢材屈服应力345 MPa；图7给出了抱箍的相对滑动，最大位移为0.8267 mm，上下抱箍与拱肋无相对滑动，满足吊索更换过程中对自平衡系统的强度和稳定性要求。

图 4抱箍式自平衡锚固装置应力云图

图 5抱箍式自平衡锚固装置与拱肋位移图

3无损伤自平衡施工工艺

3.1施工监控准备

施工监控的目的是确保吊杆更换过程中结构受力和线形满足设计要求，施工监控须遵循三个方面的原则：稳定要求、内力要求和线形要求。吊杆更换前需对全桥桥面标高、吊杆索力值进行初始测量记录，为后期吊杆更换过程和更换结束后是否需要调索提供依据。

桥面线型监测采用了全桥测量、局部加密的方法。在测点处埋设粗钢筋，上部露出桥面系上表面2cm，并用红油漆做好标记。对需要更换的吊杆，在其左右相邻的各三根吊杆处设置测点，监测吊杆更换对局部的影响。

3.2无损伤临时兜吊系统的安装流程

（1）安装抱箍式自平衡锚固装置；上抱箍安装前需在抱箍内侧粘贴一层5mm橡胶垫，增加抱箍与钢管间的摩擦力。将上抱箍吊装至指定位置，进行上下微调。下抱箍起吊至上抱箍正下方，待下抱箍安装定位后，进行螺栓与螺母安装，如图8所示。

（2）上横梁安装在已完成调平的平衡箱上方，将上横梁与平衡箱临时限位，避免横梁滑移、侧翻。

（3）使用吊机将托梁与转换梁吊装至指定位置并进行临时固定。

（4）安装临时吊杆及千斤顶。

图 6安装抱箍式自平衡锚固装置

3.3旧吊杆拆除

（1）临时吊杆预拉，张拉力为临时吊杆理论张拉力的10%。

（2）分级张拉临时吊杆，并根据临时吊杆的张拉力，由外向内逐圈切除旧吊杆高强钢丝，旧吊杆与临时吊杆的体系转换如图9所示。

图 7旧吊杆与临时吊杆体系转换

3.4新吊杆安装

（1）将吊杆上锚头螺母及球形支座安放在对应的吊杆上锚头锚垫板上。下锚头螺母及球形支座则先搬至梁下平台。

（2）通过专用牵引头与吊杆上锚头连接，用卷扬机起吊，将上锚头吊至拱肋底后，将锚头与拱肋伸出的钢丝绳连接，拱肋内用葫芦继续牵引，直到上锚头露出垫板，套上球形支座，拧上螺母完成上锚头安装；将下锚头穿过下预埋管，套上球形支座，拧上螺母完成下锚头安装。

（3）分五次对新吊杆进行逐步加载，相应地逐步减小临时吊杆力，使卸载的临时吊杆力等于加载的新吊杆力，直至完成临时吊杆与新吊杆力的转移。加载力的大小按照每级增加20%进行。

4结语

本文所研究的抱箍式自平衡锚固装置及无损伤自平衡施工工艺有效解决了吊杆更换过程中拱肋损伤问题，并成功应用于江南大桥维修加固工程，提高了施工效率，为钢管混凝土拱桥吊杆更换施工提供参考。

参考文献

[1]陈宝春, 刘君平. 世界拱桥建设与技术发展综述[J]. 交通运输工程学报, 2020, 20(1):15.

[2]陈康明,吴庆雄,罗健平,王欢围.考虑吊杆断裂动力作用的钢管混凝土拱桥等效静力计算方法[J/OL].土木工程学报:1-12[2022-11-03].DOI:10.15951/j.tmgcxb.22010057.

[3]赵洋. 系杆拱桥吊杆更换研究[D].浙江大学,2006.

[4]杜朋. 钢管混凝土拱桥吊杆更换技术研究[D].长安大学,2017.

[5]JTG D60-2015 公路桥涵设计通用规范[S].

[6]JTGT D65-06-2015 公路钢管混凝土拱桥设计规范[S].