集灌路分離式立交橋的拼寬及加固設(shè)計

吳江鴻

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計院，福建 福州 350004）

1 工程概況

集灌路分離式立交橋［1-2］位于廈漳高速公路廈門段，原橋名為官林頭互通I-1橋，為左右幅分離的鋼筋混凝土矮墩連續(xù)剛構(gòu)箱梁，橋跨組合為（20.5+2×21.5+20.5）m，全長88.30 m。單幅上部結(jié)構(gòu)采用單箱三室混凝土箱梁，梁高1 m，頂寬12.5 m，底寬6.5 m，腹板厚0.40 m，頂?shù)装搴?.25 m。下部結(jié)構(gòu)采用薄壁墩、單排3根Φ1.2 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，墩梁固結(jié)。橋址區(qū)基巖埋深大于40 m，基礎(chǔ)按摩擦樁設(shè)計。該橋于1997-07月竣工通車，檢測發(fā)現(xiàn)該橋混凝土保護(hù)層厚度與設(shè)計值相比偏薄，梁體出現(xiàn)結(jié)構(gòu)受力的橫向裂縫，加固后粘貼的玻纖布老化，局部出現(xiàn)脫落，技術(shù)評定為三類橋。橋梁體布置見圖1，改擴建需要將原有橋梁拼寬至8車道。

圖1 總體布置

主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：

（1）設(shè)計荷載，老橋為汽—超20，掛—120；拼寬新梁為公路Ⅰ級；

（2）設(shè)計車速為120 km/h；

（3）橋面寬度：老橋總寬26.0 m，雙向4車道，擴建后的橋梁總寬為42.0 m，雙向8車道，在老橋兩側(cè)各拼寬8.0 m。

（4）地震基本烈度為Ⅶ度。

2 擴建方案

根據(jù)老橋現(xiàn)狀調(diào)查、橋梁檢測報告及靜、動力荷載試驗結(jié)果，經(jīng)過綜合分析，認(rèn)為老橋經(jīng)加固后可以繼續(xù)正常運營。橋梁擴建方案為:保留老橋并采取一定的加固措施，新建結(jié)構(gòu)類型相同或相近的新橋，通過翼緣板濕接縫連接新老橋梁，最后形成雙向8車道的橋梁結(jié)構(gòu)。擴建后橋梁的橫斷面見圖2。

圖2 橋梁橫斷面

2.1 結(jié)構(gòu)體系分析

鑒于老橋采用墩梁固結(jié)矮墩連續(xù)剛構(gòu)體系，在同跨徑橋梁中比較少見，為考察箱梁病害是否結(jié)構(gòu)體系的問題，是否需要利用體系轉(zhuǎn)換來改善當(dāng)前結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，拼寬新橋采用何種結(jié)構(gòu)形式比較有利，對如下2種不同結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行分析比較：

體系1：維持原有結(jié)構(gòu)體系不變，進(jìn)行加固、拼寬；體系2：解除2個邊墩的墩梁固結(jié)，維持中墩固結(jié)，進(jìn)行加固、拼寬。

采用midas Civil程序，以老橋為例，建立結(jié)構(gòu)體系對比計算模型，主要考察箱梁邊跨跨中截面、中跨跨中截面、邊墩墩頂截面、中墩墩頂截面的面內(nèi)彎矩以及邊墩墩底推力的差異。體系1與體系2計算結(jié)果的比值為1.012~1.112，結(jié)構(gòu)體系的影響對橋梁上部箱梁結(jié)構(gòu)受力影響并不顯著。因此，老橋加固以及新橋設(shè)計仍然采用原有的矮墩連續(xù)剛構(gòu)體系，以避免老橋因體系變化導(dǎo)致次生病害產(chǎn)生，并保證活載作用下新老橋橫向變形比較一致。

2.2 新橋結(jié)構(gòu)

新橋采用與老橋相同的跨徑及上下部結(jié)構(gòu)，以保證外觀一致且變形協(xié)調(diào)。橋跨組合為20.5 m+2×21.5 m+20.5 m，全長88.30 m。上部結(jié)構(gòu)采用單箱雙室混凝土箱梁，梁高1 m，頂寬8.0 m，底寬5.5 m，腹板厚0.40 m，頂?shù)装搴?.25 m。薄壁墻式墩，墩身寬度3.0 m，厚度0.6 m，單排2根Φ1.2 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，墩梁固結(jié)；肋式臺、雙排4根Φ1.2 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。新橋箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面見圖3。

2.3 老橋加固

為確保橋梁能夠安全、正常的運營，在拼寬之前，必須對老橋進(jìn)行加固，以提高既有結(jié)構(gòu)的承載能力、耐久性。按照“老橋老規(guī)范、新橋新規(guī)范”的原則進(jìn)行維修加固，即對原橋的結(jié)構(gòu)驗算仍然采用85年頒布的相關(guān)規(guī)范（簡稱舊規(guī)范），但加固工程中涉及的材料、工藝等部分，執(zhí)行最新頒布的規(guī)范（簡稱新規(guī)范）。除一般病害（如非結(jié)構(gòu)性裂縫，混凝土表層破損、脫落，支座老化、破壞等）采用常規(guī)處治措施外，對主要病害箱梁腹板、底板裂縫，需進(jìn)一步研究合理的維修加固措施。

圖3 新橋箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面

2.3.1 老橋主要病害

主要病害為箱梁腹板、底板裂縫、玻纖布老化，第4跨梁底玻纖布局部脫落，梁體出現(xiàn)超限寬的橫向受力裂縫，梁底共13條橫向裂縫，縫寬0.18~0.28 mm，共計縫長22.1 m。核查以往養(yǎng)護(hù)、橋檢資料，該橋在粘貼玻纖布加固之前的主要病害為：梁側(cè)腹板存在較多裂縫，均為豎向裂縫，右幅第1~3跨梁側(cè)腹板裂縫部分延伸至梁底，左幅第1跨梁側(cè)裂縫部分延伸至梁底，最大縫寬0.20 mm；左幅第2跨1/4L~3/4L、第3跨1/4L~3/4L存在梁底橫向裂縫，最大縫寬0.10 mm。

2.3.2 病害成因分析

經(jīng)過綜合分析，產(chǎn)生上述病害的主要原因如下：

（1）施工措施不當(dāng)，施工中混凝土震搗不密實、鋼筋位置偏差、保護(hù)層過薄、養(yǎng)護(hù)欠妥當(dāng)?shù)龋斐苫炷临|(zhì)量不均勻，在受到較大荷載時，沿腹板產(chǎn)生的表面裂縫易與受拉區(qū)裂縫相連接［3］。

（2）腹板側(cè)面裂縫部分從梁底向上開裂，梁底面出現(xiàn)橫向裂縫，均與主筋垂直，屬于梁受拉區(qū)出現(xiàn)的彎曲裂縫［3］，說明結(jié)構(gòu)抗力不足。

（3）剛構(gòu)橋?qū)儆诔o定結(jié)構(gòu)，混凝土收縮、徐變、溫度變化等都會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土開裂。

2.3.3 加固方案

綜合考慮加固效果、施工便利性及加固施工過程中的通車要求等因素，在清理混凝土表面，對裂縫灌漿、封閉后，采用高強不銹鋼鉸線網(wǎng)-滲透性聚合物砂漿技術(shù)進(jìn)行加固，施加預(yù)應(yīng)力高強鋼鉸線網(wǎng)提高結(jié)構(gòu)的承載能力，抗剪與抗彎加固的不銹鋼鉸線分別采用Φ3.2 mm和Φ4.8 mm規(guī)格，種類均為6×7+IWS，同時通過在外表面涂刷3 cm厚度的配套高強滲透性砂漿增加結(jié)構(gòu)的耐久性。加固前須拆除梁體表面粘貼的所有玻纖布。箱梁外側(cè)面沿腹板全高加固，主要受力鋼鉸線須垂直于橋梁軸線方向，并兜向底板45 cm。箱梁底板上的鋼鉸線網(wǎng)需須順橋向布置，每跨內(nèi)的鋼鉸線網(wǎng)在縱向不宜拼接，必須搭接時，在鋼鉸線受力方向的搭接長度應(yīng)不小于80 cm。鋼鉸線網(wǎng)加固布置見圖4。

圖4 鋼絞線網(wǎng)加固布置

施工工藝流程為：定位放線→混凝土基層處理→裁切鋼鉸線網(wǎng)片→鋼鉸線網(wǎng)片的固定與張緊→鋼鉸線網(wǎng)片節(jié)點的固定→涂刷界面劑→聚合物砂漿壓抹→濕潤養(yǎng)護(hù)。其中鋼鉸線網(wǎng)的固定和張緊是其能夠立即和原結(jié)構(gòu)共同受力的關(guān)鍵。根據(jù)設(shè)計確定的錨具位置，通過植入螺栓和粘貼鋼板在構(gòu)件端部固定錨具。鋼鉸線下料后，用專門的擠壓錨具擠壓套筒使其與鋼絲繩成為一體，在一側(cè)鋼絲繩的一端直接穿入錨具，另一端由專門的張拉器預(yù)張緊后進(jìn)行錨固，參考以往工程經(jīng)驗，預(yù)張拉應(yīng)力取0.25~0.3倍的抗拉強度設(shè)計值。用配套專用固定銷釘對鋼鉸線網(wǎng)片的各節(jié)點進(jìn)行逐段鉆孔錨固，使其固定在箱梁上。

該項加固技術(shù)在國內(nèi)許多建筑工程、橋梁工程上得到應(yīng)用，實踐表明加固效果良好，其主要特點如下：

（1）由于高強滲透性砂漿基本為無機材料、不銹鋼絞線網(wǎng)耐腐蝕性能好，較好地解決了混凝土結(jié)構(gòu)加固后的耐久性、抗火、耐高溫性能等問題，加固性能可靠；

（2）鋼鉸線網(wǎng)為高強不銹鋼鉸線編織成網(wǎng)，運輸及施工方便；

（3）高強鋼鉸線強度高，其標(biāo)準(zhǔn)強度約為普通鋼材的5倍，加固后結(jié)構(gòu)自重增加很小，對原結(jié)構(gòu)的自重影響也很?。?/p>

（4）對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗彎及抗剪加固均可取得良好的加固效果，并且可以顯著地提高構(gòu)件剛度；

（5）混凝土構(gòu)件加固后的疲勞性能以及鋼網(wǎng)、砂漿的錨固、粘結(jié)性能良好；

（6）易于大面積施工，在結(jié)構(gòu)加固的過程中不影響建筑物的使用，對被加固的母體表面沒有平整要求，節(jié)點處理方便，更適合橋梁和樓板等混凝土結(jié)構(gòu)的加固。

2.4 新老橋拼接

經(jīng)過多階段比選確定箱梁拼寬設(shè)計的基本原則為“上連下不連”，其要點如下：

（1）新老橋上部結(jié)構(gòu)通過拼接形成整體共同受力，下部結(jié)構(gòu)分離獨立受力。

（2）老橋箱梁翼緣板下緣鋼筋無法承受翼緣板剛接后產(chǎn)生的正彎矩，設(shè)計采用現(xiàn)澆鉸縫進(jìn)行拼接。老橋翼緣板切除0.5 m，新老箱梁之間預(yù)留0.5 m的UEA鋼纖維混凝土翼緣板后澆段，新老橋之間通過植筋和鋸縫形成鉸縫，拼接鉸縫構(gòu)造見圖5，頂板鋸縫填瀝青瑪蹄脂，底板填塞木條。

圖5 拼接鉸縫構(gòu)造

（3）為減小拼寬部分收縮、徐變對老橋的影響，拼寬部分建成后3~6個月，再實施拼接。

（4）為減小拼接后新橋基礎(chǔ)沉降對老橋的影響，應(yīng)嚴(yán)格控制該基礎(chǔ)沉降，對新橋進(jìn)行樁底壓漿。同時，為了降低新橋的后期沉降量，盡量使沉降量發(fā)生在拼接前，新橋上部結(jié)構(gòu)施工完畢后，對梁體進(jìn)行加載預(yù)壓，加載量不小于橋面2期恒載的重量，預(yù)壓時間控制在2~3個月。

3 結(jié)構(gòu)受力分析

3.1 分析模型及計算荷載

采用MIDAS Civil對老橋加固前后、老橋和拼寬新橋在拼寬前后、拼寬縱橋向相互影響及結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行分析計算，有限元模型見圖6。采用ANSYS進(jìn)行新老橋翼緣板拼寬前后局部分析，有限元模型見圖7?？紤]的荷載有施工臨時荷載、恒載、汽車荷載、整體溫差、梯度溫度、基礎(chǔ)變位、收縮、徐變、地震動等。老橋計算考慮了一定的定量退化處理。

圖6 總體結(jié)構(gòu)分析有限元模型

圖7 局部分析有限元模型

3.2 主要分析結(jié)果

（1）橋梁拼寬前，老橋在承載能力極限狀態(tài)下滿足規(guī)范要求，正常使用極限狀態(tài)下裂縫超限，需要進(jìn)行加固?，F(xiàn)行公路橋梁加固設(shè)計規(guī)范未對上述加固方法進(jìn)行規(guī)定，考慮到該方法與粘貼鋼板加固法同屬于復(fù)合截面加固法，鋼鉸線網(wǎng)與鋼板的受力方式均設(shè)計成僅承受軸向應(yīng)力作用［4-5］，其加固原理、材料性能、計算假定等均類似。參照文獻(xiàn)［4-5］中2種加固方法的3種計算規(guī)定，對老橋加固進(jìn)行驗算，裂縫通過應(yīng)變值推算，不考慮主梁側(cè)面圍套內(nèi)鋼鉸線網(wǎng)片對承載力的提高作用，計算結(jié)果滿足規(guī)范要求。此外，還可采用組合有限元法［6］建立精細(xì)模型進(jìn)行分析計算。

（2）橋梁拼寬后，新老橋在承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)承載力、裂縫寬度、跨中撓度滿足規(guī)范要求。拼寬后老橋的彎矩、剪力值有所增大，新橋的彎矩、剪力峰值下降。

（3）新老橋翼緣板拼寬前后局部分析結(jié)果表明：拼寬后，新橋的基礎(chǔ)變位導(dǎo)致新、老橋翼緣板出現(xiàn)橫向附加彎矩，彎矩峰值在墩頂處，向跨中及橋臺處逐漸減小。老橋翼緣板（每延米長度）的墩頂橫向彎矩在翼緣根部大于新橋翼緣板根部的橫向彎矩?；A(chǔ)沉降工況對拼接的影響最大，老橋抗剪略有不足，考慮到老橋翼緣板加固困難，設(shè)計除適當(dāng)增加新橋樁基長度外還對樁基底部進(jìn)行壓漿處理，以減少基礎(chǔ)沉降的影響。同時，為了降低新橋的后期沉降量，盡量使沉降量發(fā)生在拼接前，新橋上部結(jié)構(gòu)施工完畢后，對梁體進(jìn)行加載預(yù)壓。

（4）采用反應(yīng)譜法進(jìn)行抗震性能分析，橋梁采用連續(xù)剛構(gòu)體系，橋墩為薄壁墩、單排樁基礎(chǔ)，剛度適中，各墩臺剛度協(xié)調(diào)，結(jié)構(gòu)體系抗震性能較好，地震工況不控制設(shè)計。

4 結(jié)語

集灌路分離式立交橋的擴建采用與老橋相同結(jié)構(gòu)類型的矮墩連續(xù)剛構(gòu)箱梁進(jìn)行拼寬、現(xiàn)澆鉸縫連接，并采用高強不銹鋼鉸線網(wǎng)-滲透性聚合物砂漿技術(shù)對老橋進(jìn)行加固。此外適當(dāng)增加新橋墩臺樁基長度并對樁基底部進(jìn)行壓漿處理，并在新橋上部結(jié)構(gòu)施工完畢后，對梁體進(jìn)行加載預(yù)壓，以上措施取得了良好的效果，該橋已于2011-12通車。

［1］ 福建省交通規(guī)劃設(shè)計院.廈門至漳州高速公路擴建工程（廈門段）施工圖設(shè)計［R］.福州：2009.

［2］福建省交通規(guī)劃設(shè)計院. 廈門至漳州高速公路擴建工程（廈門段）三類橋維修、加固設(shè)計圖［R］.福州：2009..

［3］ 蒙云，盧波.橋梁加固與改造［M］.北京：人民交通出版社，2004.

［4］ GB 50367—2006混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范［S］.

［5］ JTG/T J22—2008公路橋梁加固設(shè)計規(guī)范［S］.

［6］ 靳欣華，張澎濤.空間組合有限元法在舊橋評估及加固中的應(yīng)用［J］. 重慶交通學(xué)院學(xué)報，2004（12）：24-27.