公路橋梁更換上部結構技術研究

沈菊梅 于瑞成

【摘要】為研究公路橋梁工程更換上部結構技術問題，本文以某國道維修改造項目中一座工字梁-微彎板橋加固為例，闡述了根據(jù)橋梁結構的受力特點，分析橋梁病害成因并結合橋梁實際情況，采用更換上部結構的處治方案，并進行方案比選，對處治后的結構進行計算分析，驗證實施效果。結果表明橋梁加固后取得了預期效果，提高了橋梁承載力，確保了橋梁的安全運營。

【關鍵詞】橋梁病害；成因分析；方案；橋梁加固

1、引言

工字梁-微彎板橋微彎板組合梁橋主梁構件可以裝配，自重輕，便于吊裝，微彎板設計時考慮板受力時有拱的特點鋼筋較少，這種結構形式的橋梁因有以上眾多優(yōu)點，在我省眾多國省干線公路中大量采用。但隨著交通量的增加，這種與微彎板相結合類型的橋梁，承載力低耐久性較差的弱點逐漸顯現(xiàn)，在正常使用狀態(tài)下，逐漸出現(xiàn)了大量難于維修的病害，本文以某國道主干線2x16m工字梁-微彎板橋為例，對改造維修項目中此類橋梁維修處治進行了有益的探討。

2、工程概況

國道主干線某橋，上部結構為簡支鋼筋混凝土微彎板工字梁，跨徑布置為2x16m，橋面寬度為0.5+12+0.5=13m，共8片主梁，主梁梁高100cm，主梁間距為160cm，全橋長為46.54m。下部采用柱式墩，U型橋臺，鉆孔灌注樁基礎。如圖1所示。設計荷載為汽-20級，該橋于1991年建成通車。

3、病害成因分析

3.1病害狀況

根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21-2011）及《公路橋梁技術狀態(tài)評定標準》（JTG T H21-2011）[2] [3]，對該橋進行全面細致的檢查，按綜合評定法該橋被評為四類橋，主要病害如下：

（1）全橋工字梁下肋板底橫向受力裂縫發(fā)展較為嚴重，多數(shù)裂縫貫通于肋板底，有部分延伸至肋板側面，裂縫長度為0.25～0.30m，寬度0.14mm～0.25mm，平均間距0.18～0.25m；

（2）微彎板出現(xiàn)不規(guī)則裂縫；

（3）微彎板與肋板連接處滲水泛堿嚴重。

（4）橋梁撓度校驗系數(shù)最大為1.26，表明梁體的抗彎剛度明顯減弱，該橋承載能力已不滿足原設計要求。

圖1 工字梁橫向裂縫

圖2 微彎板不規(guī)則裂縫

3.2病害成因

微彎板跨中厚度較薄，且配筋較少，此類結構整體性較差，當與工字梁連接不牢固時，將改變微彎板的受力模式，進而導致微彎板的嚴重開裂[4]；工字梁與微彎板組合截面共同抵抗汽車荷載作用，當微彎板與工字梁連接削弱時，將加大工字梁的分擔荷載的比例，進而導致裂縫超限[5]。

4、維修處治方案

4.1方案論述

根據(jù)病害成因分析，結合施工、交通和運輸條件、施工期間的保通問題、施工的難易程度、技術經濟的合理性，從滿足現(xiàn)有交通量入手，兼顧結構受力狀況，考慮混凝土工字梁-微彎板橋梁由工字梁、中跨微彎板、懸臂微彎板拼裝組合而成，工字梁與微彎板結合面薄弱，整體性差，無論采取何種加固措施，無法從根本上彌補其受力缺點。最終采用更換上部、利用下部的處理方案。該橋橋面寬度：凈11m+2×0.5m（防撞護欄）=12m，全橋長為46.54m，下部采用柱式墩，U型橋臺，鉆孔灌注樁基礎。上部拆除后對原1號橋墩蓋梁進行加固[6] [7] [8]。因該橋屬于某國道整體改造項目，其余拆除新建橋梁均采用16m預應力混凝土箱梁設計，因此，更換上部比選2x16m箱梁與2x16m空心板。

新建橋梁為公路—Ⅰ級標準，上部結構采用16m預應力混凝土箱和16m預應力混凝土空心板部頒通用圖，重點驗算下部結構。根據(jù)橋梁處治方案，采用空間有限元軟件MIDAS對結構進行計算[6] [9]。

4.2方案一計算分析

方案一：拆除原橋上部結構，更換滿足公路-Ⅰ荷載等級的16m簡支箱梁。

舊橋下部結構使用狀況良好，按無損結構進行分析。橋臺采用U型臺，承載了較大，且橋臺結構主要承受土壓力，加固后重量增加有限，定性就可判斷滿足主梁換梁后的受力要求；

橋墩墩柱配筋率為0.67%，承載力富裕，僅不滿足現(xiàn)行抗震構造性要求，但既有橋改造工程，沒有特殊要求，一般以達到原有設計為目標，可在蓋梁上設置抗震錨栓防止落梁[10] [11]；

對于壓實未受破壞的舊橋基礎，其地基承載力可提高1.5倍，本橋重量增加有限，地基承載力也可滿足要求[12]。

蓋梁為梁跨受彎結構，更換箱梁后，結構自重增加，汽車荷載變?yōu)楣?Ⅰ荷載，且上部結構在蓋梁上的作用點發(fā)生變化，重點計算。橫斷面圖如圖3所示，蓋梁承載力驗算如表1所示.

圖3 蓋梁橫斷面

表1 蓋梁承載力驗算[6] [9]

由驗算可知，蓋梁只有負彎矩承載力勉強滿足，正彎矩承載力和斜截面抗剪承載力均不滿足要求，斜截面抗剪承載力缺欠較大，須大幅度增加結構尺寸或增加配箍率來實現(xiàn)，受墩柱和樁基結構尺寸限制，增加結構尺寸空間不大，只能采用增加配箍率來實現(xiàn)?？傤A算為121.7萬元。

4.3方案二計算分析

方案二：拆除原橋上部結構，更換滿足公路-Ⅰ荷載等級的16m簡支空心板。

橋墩基礎分析和方案一相同。

蓋梁為梁跨受彎結構，更換空心板后，結構自重有所增加，汽車荷載變?yōu)楣?Ⅰ荷載，且上部結構在蓋梁上的作用點發(fā)生變化，蓋梁承載力驗算如表2所示。

表2 蓋梁承載力驗算

由驗算可知，蓋梁只有斜截面抗剪承載力不滿足要求，且缺欠不多，可考慮采用增大截面法加固蓋梁。總預算為108.6萬元。

4.4采用方案

經過比選，更換空心板方案受力合理，經濟可靠，對下部結構造成的負擔較輕，因此，采用更換空心板方案。

4.5加固后效果

該橋加固完成后進行了承載力試驗，結果表明該橋承載力滿足公路一級荷載標準，剛度和整體性較好，經綜合評定該橋技術狀況為一類。運營以來，蓋梁未出現(xiàn)開裂。

5、結論

承載能力檢測在我國公路建設高峰期之后，橋梁的加固維修養(yǎng)護管理問題，勢必會現(xiàn)實地呈現(xiàn)在廣大橋梁工作者面前。如何科學、合理、經濟地使用有限的維修資金解決現(xiàn)實的橋梁病害問題，顯得尤為突出。在本次加固設計中有幾點感悟，愿與廣大同行共享。

（1）擬改造維修橋梁應根據(jù)養(yǎng)護維修資料，依據(jù)定期檢查資料做出一般性評定，確定橋梁技術狀況等級[2] [3]，以經濟可靠、有效利用的原則，對總體技術狀況等級為3類的橋梁，應通過專項檢測找出病害原因，并進行適應性評定（承載能力、抗洪能力、通行能力），經過維修加固可原位利用，荷載等級根據(jù)維修加固的具體情況確定；4類、5類橋梁，應進行大修改造或拆除重建，改造或新建后滿足現(xiàn)行技術標準[2]。

（2）橋梁工程加固的原則是做“加法”而不能做“減法”，即加固設計時一定要注意，不能因加固而造成結構進一步的損傷。在做加固設計方案時應注意結構各受力構件間剛度分配的合理性，構件與構件相協(xié)調，上部與下部相協(xié)調，以保證新、舊結構受力均勻、變形協(xié)調統(tǒng)一。加固后結構抗力得到大幅度提高，才能達到舊橋加固的目的。加固后的橋梁不可能達到新建橋梁的設計水平，服務水平也有很大的差別，對于通過加固手段無法從根本上提高橋梁使用性能的橋梁，應考慮換梁。

（3）橋梁加固的意義在于提高結構耐久性，延長壽命，減少橋梁未達到設計使用年限而過早退役。因此，橋梁的加固設計使用年限應不長于原結構的剩余設計使用年限，對加固構件應加強定期檢查[7]。到達使用年限后，應重新進行可靠性鑒定。

（4）橋梁加固工程中，原橋上部與下部結構、樁基礎及配筋率已無法改變，原結構的抗震性能已基本確定，通過加固設計難以改變，僅能在新增結構上考慮采取一定的抗震措施，以提高新增結構的抗震性能。例如，本次維修改造工程，結構不滿足現(xiàn)行公路橋梁抗震規(guī)范要求[11]，可增加抗震錨栓提高結構抗震能力，但抗震設防標準仍維持原設計。

（5）維修改造工程應充分考慮施工期間橋梁保通的問題，確保施工簡單、快捷，具有較好的社會效益、經濟效益和合理的技術指標。

參考文獻

[1]JTG D63-2007公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范.

[2]JTG H11-2004， 公路橋涵養(yǎng)護技術規(guī)范

[3]JTG/T H21-2011，公路橋梁技術狀況評定標準

[4]JTJ dD62-2004， 公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范

[5]諶潤水， 胡釗芳， 帥長斌.公路舊橋加固技術與實例[ M].北京：人民交通出版社，2002.

[6]JTG/ T J22-2008， 公路橋梁加固設計規(guī)范

[7]GB 50367-2013， 混凝土結構加固設計規(guī)范

[8]JTG/ T J23-2008， 公路橋梁加固施工技術規(guī)范

[9]JTG D62-2004， 公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范

[10]JTJ 004-89， 公路工程抗震設計規(guī)范

[11]JTG/ T B02-01-2008， 公路橋梁抗震設計細則