系杆拱桥通过锚固在拱两端 (或拱脚) 的系杆平衡主跨承受的永久荷载和可变荷载产生的巨大水平推力, 因其跨越能力强、对场地适应性强、下部基础经济性高、造型美观, 自20世纪90年代以来得到快速发展和广泛应用。

系杆承担着主跨大部分水平推力, 是系杆拱桥最为重要的受力构件之一, 因此系杆的可靠性对拱桥整体安全性起着决定性作用^[1,2,3,4]。2000年以后建成的系杆拱桥普遍采用钢绞线成品束和可换索锚具搭配的可更换系杆结构, 具有锚固可靠、后期系杆更换方便等特点, 同时钢绞线成品束本身由厂家采取多种防腐措施统一制作而成, 其防腐性能较好。但是, 限于设计理念和技术发展, 早期的系杆结构按照不可更换的永久构件设计:平行钢绞线 (钢丝束) 普通群锚张锚, 锚固段内管道压浆, 将系杆同锚固段刚接成整体, 未预留更换所需的孔道与操作空间^[5,6]。系杆防腐措施比较简单:裸露的钢绞线外涂黄油后包裹化学纤维布 (或填充麻絮) , 外浇钢筋混凝土防护墙。

桥梁运营期间, 由于系杆自身防护不足, 加之外荷载和外部腐蚀介质的作用, 绝大部分索体存在不同程度的病害且日益严重, 许多桥梁运营未满10年便因病害而更换系杆:2001年武汉晴川大桥通车仅2年后2根系杆断裂, 后全桥系杆更换^[7];1994年建成的广州佛陈大桥运营5年后系杆严重锈蚀后更换系杆^[8,9];2000年建成的北京潮白河大桥运营7年后系杆严重锈蚀, 也更换全桥系杆^[10]。JTG B1—2014《公路工程技术标准》中, 将桥涵的斜拉索、吊杆、系杆等的设计使用年限规定为20年^[11]。因此, 当系杆病害较重或达到规定使用年限时, 必须进行系杆更换。

既有资料表明, 目前仅有绵阳市飞来石大桥^[12]对永久锚固的系杆实现了原位更换, 但该施工方法仅适用于锚固长度较短, 可以拔除原系杆的拱桥, 对于锚固长度较长的结构则无法采用。为保证桥梁使用安全, 当锚固长度较大的系杆拱桥面临必须更换系杆的问题时, 对其采取合理有效的更换措施十分必要。

绵阳市涪江三桥建成于1997年, 是20世纪90年代国内系杆拱桥的代表。主桥为飞燕式无推力中承式钢管拱混凝土系杆拱桥, 其主孔跨布置为46m+202m+46m, 引桥为16m+9×25m的简支梁板桥, 全桥总长544.7m (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。设计荷载标准:汽-20级, 挂-100。

本桥主拱肋为4ϕ750钢管混凝土构件, 主拱肋中距17.55m, 拱轴线采用高次抛物线, 矢跨比f/L=1/4.5。桥面系以上拱肋断面高3.50m、宽2.05m, 拱内填筑C40混凝土, 实心截面;桥面系以下拱肋断面高3.60m、宽2.15m, 钢管拱肋外包C40混凝土, 为空心箱形截面。系杆设计时采用永久系杆, 锚固于边拱端横梁, 锚固长度为16.80m (见图2) 。除锚固段外, 其余系杆部分连同其保护钢箱置于桥道板上, 其外再包以混凝土, 成为永久保护 (箱内填以黄油麻絮) 。系杆数量为32束, 分上、下游设置, 每束为强度1 860MPa的19ϕ^s15.24高强低松弛预应力钢绞线。

2015年9月对涪江三桥进行适应性评定检测, 检测结果显示, 在长期运营下桥梁各构件已出现不同程度的病害, 特别是水平系杆病害较为严重, 已严重威胁桥梁的整体安全;另外, 根据 JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》, 拱桥的吊杆及系杆使用年限为20年, 目前该桥系杆已接近设计使用年限。为保证桥梁的运营安全, 决定对全桥系杆进行更换。

原系杆为不可更换结构, 系杆锚固在边拱肋上, 锚固长度达16.8m, 以目前的施工技术难以将系杆整体拔出, 故采用置换拆换法进行系杆更换施工。

置换拆换法采用施工逆做法, 将原系杆索力转换到临时系杆上, 再对原系杆进行拆除, 安装并张拉新系杆, 具体施工方法为:搭设边拱段临时支撑, 然后将原系杆逐步切断, 同时将原系杆受力转换至拱座设置的临时系杆和边拱临时支撑上 (见图3) ;转换过程中吊离相邻跨空心板, 待原系杆力全部转换至临时系杆后, 拆除相邻边跨及边拱段桥面系, 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, 预埋与系杆对应的预埋管和锚具;逐步将新增成品系杆通过张拉替换临时系杆, 达到最终成桥状态。该方法后期更换系杆方便, 可以维持原有拱桥形式, 保持原桥的美观风格。

涪江三桥系杆更换采用的置换拆换法在国内尚属首次, 没有其他类似工程经验可借鉴, 同时项目工期较紧, 水位的高低直接影响工程的顺利开展, 加之工程自身特点, 需要从设计、施工、监控等多方面进行控制, 其主要施工难点如下。

1) 边拱肋支架除满足支撑上部结构自重及刚度要求外, 还应为可调结构, 以满足在体系转换过程中通过支架顶设置的承托来调整支架顶升力, 同时顶升力的调整必须随实际施工状况变化, 这对施工提出了较高要求。

2) 受力体系的转换和桥面更换都会对桥梁结构有较大影响, 采取何种监测和调整措施防止对其他结构造成二次伤害将直接影响施工。

3) 两次系杆力转换 (特别是系杆力卸载) 是施工重点, 其转换过程较复杂, 要保证系杆力之间的平稳转换, 减小对桥梁主拱影响, 施工难度较大。

该阶段首先搭建边跨临时支撑和建立临时系杆锚固段, 然后逐渐将原系杆切断, 与此同时分批张拉临时系杆, 将原边拱肋支承在临时支架上, 利用临时系杆平衡主拱推力。

边拱支架基础采用挖掘机收拢河内卵石、漂石作为垫层, 在基础上硬化C30混凝土厚30cm, 基础顶面硬化C30混凝土宽6m, 基础底面宽8.13m, 砂砾石回填高度高出3号承台顶面50cm。

边拱支架均采用ϕ720mm×10mm钢管对称布置于拱肋立柱下方, 除部分拱肋变宽段采用3根横向布置 (中心间距200cm) 外, 其余拱肋段均采用2根横向布置 (中心间距140cm) , 各钢管纵向间用[14连系。不切除拱肋段钢管支架, 上部布置从上到下依次为楔形块、钢套筒临时支墩、横向3I40或 2I40 (见图4) ;现浇拱肋段钢管支架上部除设置I40承重梁、临时支墩等外, 还摆放I45@60cm和[14支垫, 保证锚固段浇筑时的整体受力稳定性。楔形块下方设置250t千斤顶, 使拱肋支架成为可调结构。体系转换前用拱肋支架顶部设置的千斤顶进行预顶10t, 以消除材料的弹性变形和部分初始间隙, 让支撑体系主动受力。

第1次受力体系转换, 原系杆接近54 880kN的巨大水平力将由临时锚固块与原结构之间的连接面承担。首先采用导管法对承台附近进行水下封底施工, 承台封底厚度120cm, 然后利用上下游承台连梁间8.55m×5.00m×3.00m的空间建立临时系杆锚固块, 并通过植筋与承台、拱脚连接。

临时锚固段之间安装临时系杆吊架 (见图5) , 通过涪城岸边布置的牵引卷扬机将临时系杆牵引过江。临时系杆吊架布置为:桥面下方12.79m高度处, 每隔5m横向设置1根I25, 并由悬挂于桥面泄水孔的ϕ21.5钢丝绳连接固定;I25上部焊接纵向[14;每隔10m设置1道纵向悬吊胎架。

系杆力转换步骤为:拆除 (即割断) 1束旧系杆→张拉1束临时系杆→割断1束旧系杆→张拉1束临时系杆, 重复该步骤, 直至把旧系杆的张拉力全部转移到临时系杆上, 即完成第1次体系转换。

临时系杆采用15ϕ^s15.2低松弛钢绞线, 系杆锚具采用YM15-15, 系杆数量共30束, 分上下游布置。系杆编号如图6所示。

旧系杆的拆除与临时系杆的张拉交替进行, 其施工顺序严格按照设计第1次受力体系转换施工步骤进行。旧系杆的拆除采用施工单位自行制作的砂轮切割机进行割断, 切割时须1根钢丝再到1根钢绞线的顺序进行, 不能整索一次切断, 每切割1根钢丝, 观察钢丝的回缩情况和应力卸除情况, 根据现场情况再决定下一步是否再继续进行割断, 同时为了防止系杆割断后因应力释放而沿孔道飞出伤人和发生摆动“抽伤”其他索, 施工中在切割部位两端各5m范围内用钢丝绳把索体径向固定, 并设置缓冲挡板和压砂袋, 确保桥梁及人员安全。

相邻跨引桥空心板置于边拱端横梁牛腿上, 拆除及重新浇筑边拱过程中需顶开一定距离 (后期需复位) , 为避免顶升过程中对空心板造成损伤, 应选择恰当的顶升时机, 经计算若直接整体顶升, 主桥边支点将出现一定拉力, 为保证结构安全应在体系转换过程中边支点不出现拉力后再顶升空心板。

该阶段是将原飞燕拱段系杆锚固段拆除, 然后将该段处的边拱和桥面浇筑为一体。利用新系杆和临时系杆之间的受力转换调整边拱和主拱达到成桥状态。

完成第1次受力体系转换后, 对部分边拱 (18.2m拱肋、边拱桥面板、横梁等) 进行拆除, 并重新整体现浇 (见图7) 。

由于工期较紧, 同时为尽量减少对其他结构的影响, 结构拆除采用绳切方式, 并选用70t汽车式起重机进行吊装。拱肋现浇段采用原钢管支架支承, 更换的桥面板采用满堂支架施工。浇筑混凝土前必须对支架进行预压, 预压强度为结构自重的110%, 以消除支架和地基的非弹性变形。

浇筑拱肋时, 确保锚垫板与系杆索体垂直。浇筑桥面板过程包括模板制作等均应注意因桥梁纵横坡引起的主梁各部分的坡度设置, 同时应注意系杆管道、各类预埋件等的设置尺寸、方法。

新系杆索体采用钢绞线抗拉强度≥1 860MPa的环氧喷涂钢绞线成品索, 上、下游各10束, 采用31孔可换索式系杆锚具, 型号为XGK15-31, 具有锚固可靠、结构尺寸紧凑、更换方便、防腐性能好的特点。

新系杆成品索放至事先制作并已定位好的放线架上, 系杆端头设有与钢丝绳连接的牵引头, 将卷扬机钢丝绳与成品索牵引头连接, 利用汽车式起重机配合进行展索, 穿过对应的系杆预埋管道, 从另一端锚垫板穿出。牵引过程中, 采取可靠的保护措施防止索体表面的保护套受到损伤。系杆牵引到位后, 根据精确测量的系杆两端锚固的实际长度, 剥除两端PE护套。

由于新系杆的规格为ϕ15-31, 临时系杆的规格为ϕ15-15, 系杆总数为30根, 故第2次体系转换步骤为:拆除1束临时系杆→张拉1束新系杆→再拆除2束临时系杆→张拉1束新系杆, 即往后的顺序为张拉1束新系杆便释放2束临时系杆。具体施工顺序按照设计第2次受力体系转换施工步骤进行。

临时系杆拆除的方式为:千斤顶把临时系杆的张拉力逐步释放完, 不使用切割机或氧气乙炔的割断方式。

受力体系转换、结构的拆除重建等都会使边跨受力状态产生较大变化, 又因为边跨结构本身自重大, 抗弯承载力较低, 易出现结构裂缝, 故对边跨进行全程监控 (见图8) , 预判可能出现的超限情况, 并以临时支撑顶升调整为主要手段, 消除结构的不利受力, 避免拱肋和拱座位置应力增大后混凝土开裂。

边拱结构整体刚度较大, 在系杆换索过程中其线形变化有限, 故监测重点为混凝土拱肋应力和支撑架变形, 尤其是避免在旧系杆切除, 预应力卸除和锚固段截除阶段拱座位置附近出现受力裂缝。

边拱肋靠近拱座附近设置应变测点观测施工过程中的边拱拱脚应力变化情况, 通过在边拱肋沿轴线方向设置应变片观测混凝土回弹情况, 通过在边拱临时支撑上、下端点设置位移变形测点观测挠度变化情况, 通过全站仪观测支架基础高程变化。当可能出现超限情况时, 立刻停止施工并及时采取有效的顶升调整措施, 防止边拱结构破坏。

作为飞燕式系杆拱桥, 涪江三桥主拱刚度相对较小, 两次体系转换过程中系杆索力误差对拱轴线形影响较为敏感, 为使成桥后的结构内力和线形达到预先确定的理想状态, 施工中严格按照设计要求对系杆进行分批张拉。

系杆张拉工作在上下游同步进行, 其中临时系杆采用圆形张拉端夹片式锚具进行张拉, 新系杆采用悬浮张拉法进行张拉施工;张拉原则:张拉力控制为主, 伸长量控制为辅。每束系杆的张拉分3个阶段:系杆张拉控制力的25%, 50%和100%。新系杆张拉控制力为2 744kN;临时系杆张拉控制力最小值为1 814kN, 最大值为1 845kN, 具体数值由设计方提供。系杆张拉的每个阶段都对油表读数和系杆伸长值进行记录, 并与理论计算值进行对比, 如果偏差较大则停止张拉施工, 分析原因并解决后方可进行下一步张拉。

系杆张拉过程中对主拱应力、几何位置以及拱脚位移进行监测 (见图9) 。第1次受力体系转换以拱顶和拱座位移为基本控制目标, 第2次受力体系转换以主拱肋的成桥线形和桥面线形为主要控制目标, 两次体系转换都以系杆索力为主要调控手段。每张拉完2组系杆, 都要进行监测数据的汇总分析, 对下一步系杆张拉提供指导, 确保桥梁结构符合理想状态。

新系杆更换完成及桥面系加固完成后, 测量全桥系杆索力和桥面控制点标高。通过计算分析确定系杆索力和桥面标高是否达到设计要求, 如果存在偏差, 则进一步调整系杆索力。

第1次系杆内力转换过程中, 1/2L (拱顶) 和3/8L处竖向变形较为明显。切除备用系杆 (16号) 后, 拱顶位移为-2.2mm, 拱脚位移为-0.6mm;张拉临时系杆后, 拱顶位移减小到-0.2mm, 拱脚水平位移恢复为-0.1mm。经过不断张拉临时系杆、切除原系杆, 所有原系杆索力转换到临时系杆后, 拱顶竖向位移为0.9mm, 拱脚向两岸位移0.3mm。

第2次系杆内力转换过程中, 主跨各截面位移随施工不断变化。拱顶和3/8L处竖向位移较为显著。

整个系杆更换过程中, 监控数据表明:拱顶位移处于-4.1～5.0mm;主拱肋跨中外包钢管应力变化处于-3～2MPa, 不到其抗压强度设计值310MPa的1%;核心混凝土应力变化在-0.4～0.28MPa, 不到C40混凝土抗压强度标准值18.4MPa的2%。

本工程于2017年2月开工, 2017年8月底完工。经相关单位检测, 该桥的刚度、力学性能和系杆应力恢复到原桥设计状态。

以涪江三桥系杆更换工程为依托, 研究了不可更换系杆的大跨飞燕式结构体系加固改造为系杆可更换结构体系的方法、工序流程、技术要点等施工技术。

1) 两次体系转换是系杆更换的重点, 系杆张拉顺序和张拉控制力要严格按设计进行, 防止结构过大变形。

2) 原系杆断索施工具有一定的危险性, 施工时必须引起足够重视, 做好防护措施, 同时严密监测桥梁变化, 避免结构破坏。

3) 更换过程中, 边跨应力会根据施工的进行不断变化, 调整措施也主要依靠拱肋支架体系, 故必须保证支架体系的施工质量, 防止较大变形或沉降出现。

4) 系杆更换过程会对桥梁结构产生较为敏感的变化, 全桥必须建立完善的监测系统, 对结构构件、系杆索力等进行快速有效监测, 保证桥梁状态平稳。