系杆拱桥吊杆更换工序优化研究*
（1.广州大学广州大学-淡江大学工程结构灾害与控制联合研究申心，广东广州510006；2.广东省公路工雅票量监测中心，广东广州510500）
黄永辉'，王春龙”
[摘要】对系杆拱桥吊杆更换过程进行了详细计算，对比分析了等步长更换吊杆和变步长更换吊杆两种施工方法，结果表明，变步长方法比等步长方法更为安全，尤其对于旧吊杆病害较多、辅头锈蚀严重的情况.根据背景桥梁的实际情况，提出使用变步长张控临时品杆和制断棚应钢丝的方法.
[关键调】桥梁工程：系杆拱桥：吊杆更换：优化
[中图分类号]U448.225 【文献标识码】A
[文章编号】1002-8498（2013)23-0025-05
Study on Optimization of Suspender Replacement Processfor Tied Arch Bridge
Huang Yonghul' Wang Chunlong
Abstract;In this paper the suspender replacement process of tied arch bridge is calculated in detail.Suspender replacement methods with equal step and variable step size are paratively studied. Theresult shows that the replacement method with variable step size is ssfer than the replacement method withequal step size especially fer the suspenders with many diseases and the anchor head seriously corroded.According to the actual situation of the bridge in the background the authors put forward the replacementmethod with variable step size in the bridge reinforcement project.
Key words ;bridges;tied arch bridges; suspender replacement; optimization
中下承式拱桥多修建于城市附近，桥上交通量变步长更换吊杆两种施工方法，为系杆拱桥的吊杆
时间.吊杆更换时需要考虑的因素很多，其中吊杆某3孔中承式钢管混摄土拱桥，跨径组合为线形.只有在准确计算的基础上，才能给出安全、 张拉，这关系到施工的进度和更换后整桥的内力与经济、可操作的方案.国内已有多座系杆拱桥进行了吊杆更换”，积累了较多经验，但大部分旧桥吊杆更换均按经验施工，未对其更换过程和工序进行优化，依托某实际工程，本文对比研究等步长和
张拉步长的确定是一个关键步骤，根据计算模型计（4520045）m，全长290m，矢高44.4m.主拱算和实际操作上考虑是否等步长张拉还是变步长肋采用钢管混凝土桁式结构，中孔肋高3.5m、宽1.8m，由4根直径75cm、壁厚0.01m钢管组成等截 面悬链线拱轴，拱轴系数为1.3，计算矢跨比为1/4.5.边孔为钢筋混凝土拱助，高2.0m、宽2.0m.横梁通过吊杆将荷载传递于拱肋.吊杆由缴头锚锚固的平行钢丝束组成，每根吊杆有144根高强平行钢丝，钢丝屈服强度为1600MPs.在桥面系槽形 板内设有2根漂浮式系杆，该系杆锚固于边孔端部横梁上，以抵抗主拱的推力.在运营10多年后，吊杆的PE保护套多处出现开裂，部分吊杆开裂严重，甚至出现修补后重新开裂现象，吊杆下锚头的螺母也严重锈蚀，需要对其吊杆全部进行更换.该桥立
面及吊杆编号如图1所示.
杆的变形增量比较大，桥面的变形将会超过规范允 差1%左右.因此，当兜吊系统张拉次数较小时，吊许值，这样在施工时使桥梁处于不安全状态；当兜吊系统张拉次数较多时，吊杆索力和吊杆变形增量均较小，吊杆更换过程对桥面的影响较小，桥面线形和主拱内力的变化值都比较稳定，但是这样张拉 次数过多，浪费时间且影响施工进度.
Fig. 1 The elevation of a concrete-filled 图1某钢管混凝土拱桥立面steel tube arch bridge
综上分析可知，该桥临时兜吊系统的张拉步长最好控制在5-7次.因此，在制订吊杆更换方案
吊杆编号如图1所示，下游吊杆由东向西编号为S1 S2. S33号吊杆.在吊杆更换计算模型时次割断24根45mm钢丝，可保证桥面上、下位移在 为N1，N2.，N33号吊杆，上游吊杆由东向西编号时，兜吊力分6次张拉，旧吊杆钢丝分6批割断，每取N8号吊杆进行模拟，在张拉步长计算分析上，张1cm以内.载状态下索力值的1，1/2，，1/10，计算吊杆的影响值.在计算中发现，对N8号吊杆施加上述荷载时，由于桥面系纵向刚度的影响，对N8号吊杆附近较小，其值可以忽略.N8号吊杆在不同张拉步长下 吊杆的影响较大，对距N8号吊杆较远的吊杆影响吊杆变形增量和索力增量变化曲线如图2所示.
拉次数分别为1，2.，10次，即其两端分别加其恒2吊杆更换优化设计
在兜吊法更换吊杆的过程中，存在2次内力转换，第1次为旧吊杆的力转移到临时兜吊上，第2次为临时兜吊力转移到新吊杆上，其中以第1次内力 转换更为不安全.一般情况下，吊杆更换时多采用等步长索力补张同时等步长割断旧吊杆，这种方法操作比较简单，每次补张和切割吊杆的数量相同，对于没有相关专业知识的工人来说比较容易掌握，过程进行优化设计，以使得吊杆更换更为安全. 不容易出错.另外，通过计算，也可以对吊杆更换
2.1等步长张拉过程分析
首先以等步长拆除旧吊杆进行分析，旧吊杆共有144根钢丝，分6批割断，每割断24根钢丝前对临时兜吊进行张拉，这样循环6次施工直到吊杆全 部拆除.在吊杆更换过程中，以更换N17号吊杆时最为不利，因此以N17号吊杆作为分析对象，在拆除吊杆过程中按照6次等步长张拉的方法直至N17号吊杆力全部转移到临时兜吊上，完成第1次体系张拉设计拉力的1/6→割断24根钢丝→对临时兜 转换.该过程可以分为12个施工工序：对临时兜吊吊张拉设计拉力的2/6→继续割断24根钢丝→对临时兜吊张拉设计拉力的3/6一继续割断24根钢丝→对临时兜吊张拉设计拉力的4/6→继续割断24断24根钢丝一对临时兜吊张拉设计拉力的6/6一 根钢丝一对临时兜吊张拉设计拉力的5/6→继续割割断24根钢丝，拆除旧吊杆.
Fig. 2 Incremental deformation and internal force 图2N8号吊杆变形和内力增量of No. N8 suspender versus tensioning step
由图2a可知，N8号吊杆在1次兜吊张拉时其索长变形达34.03mm，分2次张拉时增量为17.01mm，分3次张拉时增量为11.34mm.由图2a可以看出，当张拉次数在4次以上时，随着张拉次数分为6次加载到吊杆两端然后相应割断吊杆的钢 的增加变形增量的增幅越来越小.吊杆索力松弛丝，在模型计算时通过对N17号吊杆进行截面面积量与吊杆初始内力之比在分1次张拉时为47%，分递减的方法来计算，张拉的步长按照方案均为等步2次张拉时为23.5%，分3次张拉时为15.7%.由上时，旧吊杆每级的内力松弛值开始变得平缓，分7内力不断减小，至工序12，整根吊杆完全拆除），下
在N17号吊杆的第1次内力转换中，将张拉力长张拉.在第1次内力转换过程中N17号的索力图2b可以看出，当临时兜吊力的张拉次数在4次以变化如表1所示（表中索力增量为负值，表示吊杆次张拉和分10次张拉时旧吊杆索力的每级增量仅吊点即桥面位移变化如表2所示.工序3，4N17
Table 1Internal force variation of No. N17 suspender in the first force transformaton kN
表1N17号吊杆在第1次内力转换时的索力变化
编号 施工工序1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12N16 N17 -32 -48 -140 0 183 -34 281 -1 317 -36 -421 -1 -450 -39 561 -2 -582 43 10L- -2 712 47 -840 3SIN S17 -32 -2 0 0 -34 -3 -1 0 -36 -3 -1 0 -39 -3 -2 o -43 -3 -2 0 47 -4 -3 0
表2N17号吊杆在第1个体系转换过程中下吊点位移变化
Table 2Displacement variation of No.N17 suspender’s lower anchorage point in the first foree transformation mm
施工工序编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12N16 N17 2.9 1.9 0.0 0.1 3.1 2.1 0.1 0.1 23 3.4 0.1 0.2 2.5 3.6 0.2 0.3 2.7 4.0 0.3 0.3 3.0 4.4 0.4 0.3N18 1.9 0.0 2.1 0.1 2.3 0.1 2.5 0.2 2.7 0.3 3.0 0.3
Fig.3 Cable force variation of suspenders near 图3工序3，4下N17号附近吊杆索力变化值the No. N17 suspender in the tensioning step 3 4
图4各工序N17号吊杆索力变化值及吊点变形值Fig.4 Cable force variation curve of theNo. N17 suspender and displacement variation curveof the No. N17 suspender's lower anchorage point versus the tensioning steps
号附近吊杆的索力变化柱状图如图3所示.N17号旧吊杆内力及下吊点位移随工序的变化曲线如图4所示.
移到临时兜吊过程中，只在N17号吊杆附近产生一 由表1及图3可知，在N17号旧吊杆的内力转定影响，靠近N17号附近的吊杆内力值变化较大，最大变化值为47kN，在S17号吊杆上内力变化值最大为4kN，这说明在一侧更换吊杆时不会对对侧吊杆索力产生明显影响.从表1及图4a中还可以看出，在割断旧吊杆钢丝过程中，工序越往后，吊杆的 内力变化幅度越大，最大为最后一次割断旧吊杆剩余的24根钢丝，吊杆索力变化为128kN.与此对应的是，工序越往后，吊杆下吊点即桥面高程的变化也越大，如图4b所示，由表2可知，倒数第2个工序的桥面高程变化幅度最大（4.4mm）.
在割断N17号旧吊杆的钢丝后，旧吊杆的索力完全转换到临时兜吊体系上，此时理论上各个吊杆的内力、桥面线形和主拱线形都会恢复到原来位置.由图4b可看出，在吊杆两端加载1/6内力设计值和割断单根吊杆1/6截面面积的吊杆变形补偿值不完全相等，下横梁有上挑趋势，但上挠值不大， 完成第1次体系转换后，横梁上挠0.4mm，基本能够恢复到更换前高程.
由以上结果可知，在N17号吊杆更换过程中，吊杆内力和下吊点变形值均比较平缓，整个过程都处于较好状态，表明6次割掉旧吊杆的方法合适和可行.
2.2变步长张拉过程分析及比较
个工况中N17号吊杆索力值变化较小，N17号吊杆 在2.1节的模型计算分析中可以看到，在前几下吊点的变形值也较小，随着N17号旧吊杆钢丝的切割次数越多，截面面积越小，下横梁的变化值就越大.虽然计算结果表明在更换的过程中索力值和变形值都在控制范围内，但可在上述结果中找到 更好方案使得在吊杆更换过程中整个施工工艺和桥面线形处于更优化状态，下面尝试采用变步长切割钢丝和张拉临时兜吊系统进行分析.
变步长计算分析中，工序次数等同于前面等步长工序次数，不同的是每次在N17号吊杆上施加的 兜吊力和旧吊杆钢丝切割的数量不再相等，本次变步长按以下工序进行计算分析：对临时兜吊张拉设计拉力的1/4→割断1/4根钢丝一对临时兜吊张拉设计拉力的1/41/5→继续割断1/5根钢丝→对断1/6根钢丝→对临时兜吊张拉设计拉力的1/4 临时兜吊张拉设计拉力的1/41/51/6→继续割1/51/61/7→继续割断1/7根钢丝→对临时兜吊张拉设计拉力的1/41/51/61/71/8→继续割断1/8根钢丝一对临时兜吊张拉设计拉力的100%→割断其余钢丝，拆除旧吊杆.临时兜吊张拉 单步分别为：1/4 1/41/5 1/41/51/6 1/41/51/61/7 1/41/51/61/71/8和100%的设计荷载.
等步长和变步长更换旧吊杆的模型计算与施工工艺相同，表现不同的是不同的步长变化，因此N17有所改变.变步长工序3和4下N17号附近吊杆的 号旧吊杆的索力变化和下吊点横梁的位移变化肯定索力变化柱状图如图5所示.由图5可知，在变步长的吊杆更换过程中，张拉临时吊杆力时，N17号周围多根吊杆的内力均有变化：当割断相应的钢丝根数等步长的规律相同，说明在变步长张拉过程中对周围 时，N17号周围吊杆的内力变化又基本恢复为0，这和索力的影响和等步长张拉的影响基本相同.
3结果对比分析
N17号旧吊杆内力及下吊点位移随工序的变化变步长张拉过程中N17号吊杆的索力变化增量总 对比曲线如图6所示.由图6a可知，在工序6以前是比等步长的索力增量要大，这是由于变步长差所致，但是在工序6以后，变步长的索力变化增量明显比等步长张拉要小，这有利于在旧吊杆截面较小时平稳切割.图6b所示曲线的规律更为明显，在变步 长张拉过程中，在工况6以前下吊点的变形值都要大于等步长张拉，即在切割钢丝时横梁的位移较大，最大值为4.3mm；但是在工序6以后，变步长张
图5工序3和4下N17号附近吊杆索力变化值Fig. 5 Cable force variation of suspenders nearthe No. N17 suspender in the tensioning step 3 4
图6两种方法下N17号吊杆索力变化及吊点变形对比 Fig.6Comparison of the cable force variation ofNo. N17 suspender and the displacementvariation of No. N17 suspender' s loweranchorage point
拉的吊杆下吊点变形值开始小于等步长张拉，这是到后面加载的值增量越小，由内力松弛引起的变形 由于旧吊杆的切割变步长和加载变步长所引起，越也越小.整个内力转换过程中，桥面位移的恢复值基本一致.
最大值都比较接近，因此在施工过程中桥面线形和 由索力变化值和下吊点的变形值可以看到，其吊杆内力的变化值都不会出现很大差异.刚开始的工序中，旧吊杆的截面面积较大，索力值也较大，这样可以保证较大的截面面积承担较大的索力值，使横梁的变形值不会过大：变步长张拉在后面几个
4结语
（上接第16页）
4结语
万方数据
工序如工序8~12过程中，吊杆的截面面积变化较小，此时的索力值也较小，由图6b可以看出，在后面几个工序中，变步长张拉的桥面变形要明显小于等步长张拉.
锚混凝土脱落，锚具螺母锈蚀，使得单根钢丝极有 钢管混凝土拱桥在长期运营过程中，吊杆的封可能不参与受力，在此种情况下，变步长张拉的优点就显得尤为明显.以本文背景桥为例，等步长时，最后一次割断的吊杆钢丝根数为24根，若这24根吊杆中有一半已松动，则最后一次由12根钢丝承 担20%的荷载，此时经计算可知，割断钢丝时吊杆下吊点位移将达到8.8mm.若采用变步长方法，最后一次割断的吊杆钢丝根数为16根，若其中有一半已松动，则最后一次由8根钢丝承担12%的荷载，此时经计算可知，割断钢丝时吊杆下吊次切割剩余吊杆钢丝的安全性. 点位移为6.2mm.变步长方法将明显提高最后一
本文对吊杆更换过程进行了详细计算，并提出了变步长更换吊杆的方法，得到以下结论.
吊力分6次张拉，旧吊杆钢丝分6批割断，可保证桥 1）通过计算分析，确定在吊杆更换施工时，兜
恒载施工完毕钢箱梁实测标高与理论标高对比如图4所示，斜拉索索力实测值与理论值对比如图5所示.
Fig.4 The parison of the theoretical and 图4钢箱梁理论与实测标高对比measured elevation for steel box girder
1）通过对淮安大桥结构主要设计参数进行敏感性分析，考虑了钢箱梁刚度、梁段质量、温度等9出敏感性因素为温度、钢箱梁梁段质量、临时荷载， 个参数对处于最大悬臂状态的主梁线形的影响，得混凝土梁段刚度、拉索刚度、钢箱梁梁段刚度对主梁线形的影响不大.
2）根据敏感性分析结果，采取一定措施和参数识别方法对桥梁进行施工控制，从而达到控制桥梁
参考文献：
参考文献：
面上、下位移在1cm以内，不会对结构的内力和线形产生较大影响.
2）对比分析表明，变步长更换吊杆的方法比等步长更换吊杆的方法更为安全，尤其对于旧吊杆病害较多、锚头锈蚀严重的情况.根据背景桥梁的实拉临时吊杆和割断相应钢丝的方法. 际情况，在该桥吊杆更换过程中推荐使用变步长张
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实测索力理论索力
图5斜拉索理论与实测索力对比Fig.5The parison of the theoretical andmeasured cable force for stayed cable
结构实际状态与设计状态相吻合的目的.
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