下承式吊杆拱桥的吊杆更换桥面位移控制方法与流程

本发明属于拱桥吊杆更换技术领域，尤其涉及一种下承式吊杆拱桥的吊杆更换桥面位移控制方法。

背景技术：

吊杆拱桥在近些年来使用广泛，但随着使用年限的增加，以及之前吊杆防腐技术较差，吊杆锈蚀破坏严重，许多吊杆拱桥在使用10-15年后即需要更换吊杆。目前，对吊杆拱桥吊杆更换过程中多采用有限元方法进行，但该法需要建立整体桥梁模型，费工费时，并且由于单元模拟简化较大，故而产生的系统性误差较大，在工程应用上难以实施。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种简单易行、准确可靠的下承式吊杆拱桥的吊杆更换桥面位移控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

下承式吊杆拱桥的吊杆更换桥面位移控制方法，在兜吊系统逐级张拉与原吊杆逐级切割吊杆更换方法中，将单根吊杆支撑的桥面恒载单独考虑，通过结构力学刚度分配方法对兜吊系统的逐级张拉与吊杆逐级切割的过程进行内力分析，获得基于桥面恒载单独考虑的各级兜吊系统的逐级张拉与吊杆逐级切割的桥面位移(计算方法)；然后考虑相邻吊杆支撑桥面恒载对更换吊杆的影响，通过观测实桥更换吊杆与相邻吊杆之间的每级加载与放载的桥面位移数据统计规律，获得加载时相邻吊杆与更换吊杆的荷载分配系数；再通过规定每级兜吊系统张拉或吊杆切割控制位移阈值来控制实际荷载状态的桥面位移变化。

所述兜吊系统的逐级张拉与吊杆逐级切割的桥面位移符合以下关系式：

第n次张拉兜吊系统引起的吊杆处桥面位移上升高度δhn-0为：

第n次切割吊杆引起的桥面下降高度δhn-1为：

式中，吊杆索力为fy、吊杆弹性模量为e1、吊杆截面面积为a1，兜吊系统总面积为a2、兜吊系统弹性模量为e2，每次吊杆切割面积为δan，每次兜吊系统加载荷载为δfn，kd为分配系数。

所述每级兜吊系统张拉或吊杆切割控制位移阈值符合以下关系式：

δhn-0＜[s]

δhn-1＜[s]

[s]＝min(10mm，s1/1000)

该式规定每级兜吊系统张拉与原吊杆切割的位移应控制为小于阈值[s]，阈值取为10mm与吊杆之间距离的s1的1/1000的较小值，s1为吊杆之间距离。

针对吊杆更换桥面位移控制存在的问题，发明人基于结构力学理论，建立了一种下承式吊杆拱桥的吊杆更换桥面位移控制方法，在兜吊系统逐级张拉与原吊杆逐级切割吊杆更换方法中，将单根吊杆支撑的桥面恒载单独考虑，通过结构力学刚度分配方法对兜吊系统的逐级张拉与吊杆逐级切割的过程进行内力分析，获得基于桥面恒载单独考虑的各级兜吊系统的逐级张拉与吊杆逐级切割的桥面位移；然后考虑相邻吊杆支撑桥面恒载对更换吊杆的影响，通过观测实桥更换吊杆与相邻吊杆之间的每级加载与放载的桥面位移数据统计规律，获得加载时相邻吊杆与更换吊杆的荷载分配系数；再通过规定每级兜吊系统张拉或吊杆切割控制位移阈值来控制实际荷载状态的桥面位移变化。应用本发明可准确的计算与控制吊杆拱桥进行吊杆更换的桥面位移变化情况，而且简单易行、准确可靠，便于工程应用，具有很好的工程推广价值。

附图说明

图1是被张拉的吊杆以及相邻吊杆(兜吊系统张拉单位力f)的位移变化比例图。

图2是吊杆更换施工示意图。

图中：1更换吊杆，2兜吊系统，3拱肋，4桥面横梁，5桥面系，6相邻吊杆。

具体实施方式

一、基本原理

在兜吊系统逐级张拉与原吊杆逐级切割吊杆更换方法中，将单根吊杆支撑的桥面恒载单独考虑，通过结构力学刚度分配方法对兜吊系统的逐级张拉与吊杆逐级切割的过程进行内力分析，获得基于桥面恒载单独考虑的各级兜吊系统的逐级张拉与吊杆逐级切割的桥面位移计算方法；然后考虑相邻吊杆支撑桥面恒载对更换吊杆的影响，通过观测实桥更换吊杆与相邻吊杆之间的每级加载与放载的桥面位移数据统计规律，获得加载时相邻吊杆与更换吊杆的荷载分配系数；再通过规定每级兜吊系统张拉或吊杆切割控制位移阈值来控制实际荷载状态的桥面位移变化。其中，

兜吊系统的逐级张拉与吊杆逐级切割的桥面位移符合以下关系式：

第n次张拉兜吊系统引起的吊杆处桥面位移上升高度δhn-0为：

第n次切割吊杆引起的桥面下降高度δhn-1为：

式中，吊杆索力为fy、吊杆弹性模量为e1、吊杆截面面积为a1，兜吊系统总面积为a2、兜吊系统弹性模量为e2，每次吊杆切割面积为δan，每次兜吊系统加载荷载为δfn，kd为分配系数。

每级兜吊系统张拉或吊杆切割控制位移阈值符合以下关系式：

δhn-0＜[s]

δhn-1＜[s]

[s]＝min(10mm，s1/1000)

该式规定每级兜吊系统张拉与原吊杆切割的位移应控制为小于阈值[s]，阈值取为10mm与吊杆之间距离的s1的1/1000的较小值，s1为吊杆之间距离。

二、公式推导

首先不考虑相邻吊杆对更换吊杆的影响，假设吊杆索力为f1、弹性模量为e1、吊杆截面面积为a1，兜吊系统面积为a2、弹性模量为e2，当兜吊系统第一次提升加载δf1，则必定有原索力减小δf1，则桥面系上升高度δh1-0为：

当进行第一次吊杆切割，此时桥面系下降，而兜吊系统也参与到系统受力中，故而桥面系下降高度δh1-1为：

当兜吊系统第二次提升加载δf，此时旧吊杆面积为(a1-δa1)，则桥面系上升高度δh2-0为：

当进行第二次吊杆切割δa2，此时桥面系下降，而兜吊系统也参与到系统受力中，故而桥面系下降高度δh2-1为：

依次类推，有第n次张拉兜吊系统引起的吊杆处桥面位移上升高度δhn-0为：

第n次切割吊杆引起的桥面下降高度δhn-1为：

式中，吊杆索力为fy、吊杆弹性模量为e1、吊杆截面面积为a1，兜吊系统总面为a2、兜吊系统弹性模量为e2，每次吊杆切割面积为δan，每次兜吊系统加载荷载为δfn。

然而在每根吊杆实际加载提升与切割过程中，由于桥面刚度的存在，相邻吊杆支撑的桥面恒载对此根吊杆兜吊加载提升与吊杆切割引起的桥面位移变化具有显著影响，会导致施加在兜吊上的力仅有部分提升更换吊杆，而部分引起了相邻吊杆的提升。故引入分配系数kd来修正桥面恒载单独考虑的各级兜吊系统的逐级张拉与吊杆逐级切割的桥面位移变化计算方法，该分配系数kd表征的是某根吊杆的兜吊系统张拉单位力f，该根吊杆的内力变化值fb与f的比值。故而对拱桥跨中部位最长吊杆进行试验性更换，将每级兜吊加载等级细化至5-10％的索力值，对每一级兜吊加载提升以及吊杆切割时，对更换的吊杆与相邻的吊杆的每级桥面位移变化值进行数值统计，通过数值统计，更换的吊杆及相邻吊杆分配比例的平均值作为分配系数。

三、应用实例

某拱桥进行全部吊杆更换，需要对该吊杆的更换过程进行位移控制。

首先通过对该拱桥跨径中心部位14#吊杆进行理论计算，获得不考虑相邻吊杆影响的每级兜吊加载提升及吊杆割断下降的理论计算值。旧吊杆索力为1260kn，截面面积a1为3270mm²，弹性模量e1为1.95e11，兜吊总面积a2为3297mm²，弹性模量e2为1.95e11，每级按照10％来增加吊杆索力，并逐级适当剪断吊杆截面积，通过式(5)、(6)的计算，获得不考虑相邻吊杆影响的每级兜吊加载提升及吊杆割断下降的理论计算值，见表1。

表1每级兜吊系统加载提升与吊杆割断桥面位移变化计算表

表1中，位移与标高的正号表示桥面标高上升，负号表示桥面标高下降。

其次，通过实桥吊杆的试验性更换，通过统计每一级加载与切割过程中的更换吊杆与相邻吊杆的桥面位移变化，计算吊杆更换的分配系数kd，将每级兜吊加载等级细化至10％的索力值，对每一级兜吊加载提升以及吊杆切割时，对更换的吊杆与相邻的吊杆的每级桥面位移变化值进行数值统计，通过数值统计，见附图2，更换的吊杆1分配比例的平均值为55％。故而有：

根据式(9)、(10)重新计算每一级兜吊加载提升与吊杆切割的桥面位移变化值，重新计算数据结果见表3。设定每一级兜吊提升加载与吊杆切割的阀值[s]＝min(10mm，5000mm/1000)＝5mm，由表3可知，按照计算结果，完全满足δhn-0＜[s]、δhn-1＜[s]，可考虑适量增大各级兜吊提升加载力与切割吊杆面积比例，以减少加载次数，提高施工速度。

表214#吊杆实际张拉过程中13#、14#、15#桥面位移变化值

表2中，单位为mm，正号表示桥面标高上升，负号表示桥面标高下降。

表3兜吊加载提升与割断过程中桥面位移变化理论修正计算表

表3中，位移与标高正号表示桥面标高上升，负号表示桥面标高下降。