公路舊橋無縫化改造技術(shù)

林上順， 林文， 歐智菁， 陳盛富

(1.福建省土木工程新技術(shù)與信息化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 福建 福州 350118； 2.福建工程學(xué)院 土木工程學(xué)院， 福建 福州 350118)

公路舊橋無縫化改造技術(shù)

林上順1，2， 林文1，2， 歐智菁1，2， 陳盛富1，2

(1.福建省土木工程新技術(shù)與信息化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 福建 福州 350118； 2.福建工程學(xué)院 土木工程學(xué)院， 福建 福州 350118)

公路橋梁的伸縮裝置是橋梁結(jié)構(gòu)中最為脆弱的部件，不僅容易損壞，而且修復(fù)困難。文章綜述了國內(nèi)外無伸縮縫橋梁的發(fā)展歷程，以及國內(nèi)舊橋無縫化的工程案例及相關(guān)研究；總結(jié)了國內(nèi)舊橋無縫化改造的常用設(shè)計(jì)方法，介紹了橋墩、橋臺(tái)處的無縫化構(gòu)造處理技術(shù)；同時(shí)對舊橋無縫化技術(shù)的工程意義、應(yīng)用前景、存在問題進(jìn)行分析，表明對舊橋進(jìn)行無縫化改造可提高其承載力、行車舒適性和抗震性能，具有廣闊的應(yīng)用前景和重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，也指出今后研究的方向和可能存在的技術(shù)難題。

無伸縮縫橋梁; 舊橋; 病害; 無縫化改造; 承載力

1 概述

我國大量在役橋梁在運(yùn)營多年后，其主體結(jié)構(gòu)多未見明顯退化，但設(shè)置在橋臺(tái)處的伸縮裝置卻成為修復(fù)和更換最為頻繁的易損構(gòu)件。伸縮縫維修時(shí)，通行車輛的沖擊會(huì)影響混凝土的硬化，常導(dǎo)致維修效果不理想，甚至需要頻繁修補(bǔ)[1]。

近年來，隨著交通量的快速增長，公路路面及橋面需要定期養(yǎng)護(hù)，其中罩面法是最為常用的養(yǎng)護(hù)方案，但對伸縮裝置進(jìn)行罩面施工難度較大，而且施工后容易造成舊橋高程與新路面、橋面高程不一致。采用罩面法對伸縮裝置提升改造，不僅施工難度大、成本高，而且工期長。因此，舊橋伸縮裝置的處理已成為罩面施工的棘手難題。

20世紀(jì)70年代, Henry Detrick 提出了“沒有伸縮縫就是最好的伸縮縫”的哲理性概念。無縫橋取消了伸縮縫、伸縮裝置，消除了伸縮縫帶來的跳車問題，提高了結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性，其優(yōu)越的使用性能和零維護(hù)的設(shè)計(jì)目標(biāo)使其在很多國家得到廣泛的應(yīng)用和推廣[2]。

近年來，我國已成功對一些舊橋進(jìn)行無縫化改造并修建了一批無伸縮橋梁。為進(jìn)一步推動(dòng)舊橋無縫化改造技術(shù)在我國的應(yīng)用與發(fā)展，本文對近年來改造成功的工程案例及相關(guān)研究進(jìn)行綜述，并對今后的研究工作進(jìn)行展望。

2 無伸縮縫橋梁的應(yīng)用與發(fā)展

整體式橋臺(tái)無縫橋已有80年的歷史。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國已有的整體式橋臺(tái)橋梁約9 000 座，其中位于田納西州50號公路上的整體式橋臺(tái)混凝土橋長達(dá)358.2 m。2005年，加拿大安大略省在建橋梁中，近60%采用整體式橋臺(tái)橋梁。這種橋型也已經(jīng)在英國、澳大利亞、日本、伊拉克、新西蘭、法國、瑞士、意大利、瑞典等國家得到廣泛應(yīng)用，涉及鋼橋、混凝土橋梁、組合橋梁等，并已成功應(yīng)用于直橋、斜彎橋的建設(shè)[3]。

我國在無縫橋的應(yīng)用與研究方面起步較晚。20世紀(jì)90年代末，湖南大學(xué)邵旭東、福州大學(xué)彭大文開始研究無伸縮縫橋梁[3-4]。此后，金曉勤、邵旭東等[5]繼續(xù)開展了全無縫橋梁的研究，將無縫橋梁與無縫接線路面相結(jié)合，取消了橋梁橋面與接線路面間的伸縮縫，在半整體式全無縫橋的主梁與下部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置支座；王明昃、馬永春、邵旭東等對半整體式全無縫橋梁接線路面拉伸力學(xué)特性和臺(tái)后主動(dòng)土壓力計(jì)算方法等問題進(jìn)行研究[6-8]。近期，福州大學(xué)在浙江、河北、福建等地開展多座無縫橋的設(shè)計(jì)及舊橋的無縫化改造工作。Bruno Briseghella[9]對整體式橋臺(tái)橋梁的極限長度進(jìn)行研究，結(jié)果表明：考慮橋墩的轉(zhuǎn)動(dòng)能力和橋臺(tái)的承載能力時(shí)，極限長度可達(dá)540 m；考慮溫度位移產(chǎn)生的疲勞影響時(shí)，極限長度可達(dá)450 m。云南省交通規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)院、江蘇省交通科研院、湖南大學(xué)、浙江公路水運(yùn)工程咨詢公司等單位也陸續(xù)開始了半整體橋無縫橋和其他類型無縫橋的研究與應(yīng)用，并已建成多座無縫橋梁。

3 舊橋無縫化技術(shù)

3.1 舊橋無縫化工程案例及相關(guān)研究

近10年，我國已建造的公路橋梁、市政橋梁，其中有近半數(shù)舊橋出現(xiàn)伸縮縫和伸縮裝置的病害，亟需進(jìn)行改造、修復(fù)。一些舊橋的無縫化改造已經(jīng)開展，并進(jìn)行了相關(guān)研究，以下簡要進(jìn)行綜述。

邵旭東對廣東清遠(yuǎn)市龍?zhí)翗蜻M(jìn)行無縫化改造。該橋?yàn)?0跨不等跨的簡支梁橋，全長109.2 m，上部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土I梁+微彎板結(jié)構(gòu)，下部結(jié)構(gòu)為重力式墩臺(tái)、擴(kuò)大基礎(chǔ)。該橋的改造采用半整體式全無縫橋梁的方案，取消了梁端與橋臺(tái)之間的伸縮縫，鑿低了舊橋橋臺(tái)背墻高度，加設(shè)5.5 m 長搭板，使得搭板跨過背墻與主梁緊密聯(lián)系。同時(shí)，更換了橋梁支座，但梁體與橋臺(tái)之間仍采用鉸接。經(jīng)過近兩年的運(yùn)營后，對該橋技術(shù)狀況進(jìn)行全面觀測，未發(fā)現(xiàn)任何橋梁部件開裂、接線路面損壞等情況，也無橋頭跳車現(xiàn)象[10]。

Dualuse橋是新加坡建于1968～1970年間的一座跨越潮汐河流的預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋，全長18.16 m。該橋上部結(jié)構(gòu)為預(yù)制先張預(yù)應(yīng)力倒T梁，下部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土懸臂墻板式橋臺(tái)、鋼筋混凝土方樁基礎(chǔ)。進(jìn)行舊橋改造時(shí)，將原有的簡支梁橋改造為主梁與橋臺(tái)剛接的整體式橋臺(tái)橋梁，取消了伸縮裝置，提高了該橋的承載力和行車舒適性。

劉凱舟[11]以一座跨徑13m的簡支梁橋無縫化改造工程為研究背景，分析在不同性質(zhì)的樁周土作用下結(jié)構(gòu)體系的受力規(guī)律，總結(jié)了整體式橋梁在結(jié)構(gòu)受力方面的優(yōu)勢與局限性。

陳華輝[12]詳細(xì)介紹了石嘴山至銀川高速公路的二號排洪溝中橋的設(shè)計(jì)方案和施工工藝。橋梁全長86m，上部結(jié)構(gòu)采用4 孔跨徑為 20 m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)采用柱墩、肋式臺(tái)，鉆孔樁基礎(chǔ)。該橋的改造采用新型半整體式全無縫橋梁體系，取消了主梁與橋臺(tái)之間的伸縮縫，將主梁、搭板、接線路面進(jìn)行無縫連接。

Briseghella等[13]對國內(nèi)外既有橋梁的伸縮縫和支座病害情況進(jìn)行調(diào)查，并對推進(jìn)我國既有橋梁的無縫化改造的意義、優(yōu)勢進(jìn)行分析，同時(shí)對世界各國所采用的無縫化技術(shù)和橋梁改造實(shí)例進(jìn)行介紹。

董桔燦等[14]對某多跨空心板橋進(jìn)行了無縫化改造。該橋上部結(jié)構(gòu)為跨徑16 m的三跨簡支空心板，下部結(jié)構(gòu)為雙柱式橋墩、樁柱式埋置式、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。進(jìn)行無縫化改造時(shí)，將預(yù)制的簡支空心板改為先簡支后連續(xù)結(jié)構(gòu)，取消橋墩處伸縮縫和全橋的支座，將上、下部結(jié)構(gòu)通過鋼棒連接，實(shí)現(xiàn)全橋整體化改造；鑿低橋臺(tái)背墻高度，臺(tái)后設(shè)置搭板并與主梁、整體式橋臺(tái)通過主筋相連接。

丘能[15]以福州某橋?yàn)樵?，進(jìn)行外包半整體式橋臺(tái)橋梁的試設(shè)計(jì)，并建立全橋三維有限元模型進(jìn)行關(guān)鍵部位的受力性能分析，為中小型橋梁的無縫化改造提供新的思路。

莊一舟[16]對福建漳州十里橋( 空心板簡支梁橋) 進(jìn)行無縫化改造。該橋上部結(jié)構(gòu)為6孔跨徑16 m的簡支空心板，下部結(jié)構(gòu)采用重力式橋墩、擴(kuò)大基礎(chǔ)，橋長111.85 m。通過在墩頂設(shè)置端橫梁，將簡支結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為連續(xù)結(jié)構(gòu)，并對單、雙支座模式的選取進(jìn)行分析。

3.2 舊橋無縫化設(shè)計(jì)

3.2.1 舊橋資料的收集

與新建橋梁不同的是，開展舊橋無縫化設(shè)計(jì)時(shí)，首先要對舊橋的現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查與評價(jià)，根據(jù)舊橋的技術(shù)狀況確定拆除舊橋或?qū)εf橋進(jìn)行改造設(shè)計(jì)方案。因此，舊橋的改造與加固密不可分。

從設(shè)計(jì)角度而言，舊橋改造不僅要收集橋址附近的地質(zhì)、水文、通航、地物(含道路、建筑物)等資料，還要對舊橋的位置、高程等進(jìn)行詳細(xì)的測量，才能開展具體的改造工作。

3.2.2 舊橋關(guān)鍵構(gòu)件的承載能力評估

舊橋的連續(xù)化改造與先簡支后連續(xù)的新建橋梁有相似之處，但舊橋已運(yùn)營多年，其樁基等基礎(chǔ)變形已經(jīng)基本完成，多跨超靜定結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)沉降引起的次內(nèi)力問題已經(jīng)基本消失。但舊橋改造將使舊橋上下部結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)發(fā)生變化，需要進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算分析，才能制定合理的舊橋改造方案，使改造后的橋梁受力性能符合現(xiàn)行的規(guī)范要求。然而，由于一些舊橋原始資料的缺失，以及舊橋混凝土表面碳化、鋼筋出現(xiàn)銹蝕引起的材料力學(xué)性能的退化、超載車輛引起的舊橋結(jié)構(gòu)損傷等不確定性等因素，使舊橋無縫化改造的設(shè)計(jì)計(jì)算將面臨更多復(fù)雜的技術(shù)難題。

3.2.3 橋臺(tái)處無縫化

我國既有橋梁的橋臺(tái)多采用剛性擴(kuò)大基礎(chǔ)或剛度較大的鋼筋混凝土樁基礎(chǔ)。若采用整體式橋臺(tái)改造，將舊橋的上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)連為一體，上下部結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)發(fā)生很大改變，其基礎(chǔ)很難適應(yīng)上部結(jié)構(gòu)伸縮變形，一般不宜采用。

若采用半整體式橋臺(tái)改造，需要鑿除舊橋伸縮縫位置臺(tái)后搭板、背墻頂面、主梁端部橋面或端橫梁的部分混凝土并保留鋼筋，并在端橫梁與橋臺(tái)之間設(shè)置鉸，仍保留原有的支座，對舊橋的結(jié)構(gòu)受力影響不大，在施工工藝上較之改造成整體橋要簡單些。因此，半整體式橋臺(tái)無縫橋是舊橋無縫化改造的主要橋型。

采用半整體式橋臺(tái)進(jìn)行舊橋改造或采用延伸橋面板橋臺(tái)進(jìn)行舊橋改造，下部結(jié)構(gòu)仍然保留原來的橋臺(tái)和支座，施工簡便、成本低廉，且可通過調(diào)整背墻的高度，使臺(tái)后搭板與原橋面板順接，實(shí)現(xiàn)橋臺(tái)無縫化。為了使橋面系統(tǒng)在溫度作用下能自由變形，可在背墻頂設(shè)置滑動(dòng)層。

3.2.4 橋墩處無縫化

多跨簡支梁橋各跨之間的無縫化，可通過橋面板和結(jié)構(gòu)的連續(xù)來實(shí)現(xiàn)。若采用橋面連續(xù)方案，需鑿除舊橋橋面鋪裝的部分混凝土，并在橋面連續(xù)范圍內(nèi)增設(shè)抗拉鋼筋，以承受車輛荷載等引起的負(fù)彎矩，避免橫向裂縫的出現(xiàn)。采用結(jié)構(gòu)連續(xù)方案進(jìn)行舊橋改造時(shí)，舊橋主梁的結(jié)構(gòu)形式從簡支梁轉(zhuǎn)換為連續(xù)梁，控制設(shè)計(jì)截面的內(nèi)力分布將發(fā)生明顯變化。目前國內(nèi)已有一些實(shí)橋采用結(jié)構(gòu)連續(xù)的方法進(jìn)行無縫化改造，如文獻(xiàn)[16]中福建漳州十里橋的加固改造工程，文獻(xiàn)[17]中一座7 m×20 m的鋼筋混凝土簡支T梁橋的加固改造工程。

3.2.5 施工交通組織

與新橋的施工不同，舊橋的無縫化改造常在通車的狀態(tài)下進(jìn)行，橋梁結(jié)構(gòu)仍需承擔(dān)較大的交通負(fù)荷，而且施工時(shí)還可能遇到操作空間受限等具體問題。因此，制定合理的施工方案，確保改造期間施工的安全與快捷，以及車輛的順利通行，也是舊橋無縫化改造的技術(shù)難點(diǎn)之一。

4 展望

4.1 舊橋無縫化的工程意義

國外很早就開始對既有多跨橋梁進(jìn)行簡支梁橋到連續(xù)梁橋的改造和轉(zhuǎn)換。20世紀(jì)60年代，美國威斯康星州和馬薩諸塞州開始進(jìn)行橋梁的無縫化改造。2004年美國30個(gè)交通部門中有11個(gè)對一些多跨簡支梁橋進(jìn)行了連續(xù)化的改造。

舊橋的無縫化不僅解決了伸縮縫帶來的病害與維修更換問題，還可改善行車的平順性，減少車輛的沖擊和延長橋梁使用壽命。同時(shí)也可提高橋梁結(jié)構(gòu)承受災(zāi)害事件的能力，例如地震發(fā)生時(shí)，可避免落梁情況的發(fā)生。1971年美國舊金山地震中的橋梁損壞情況調(diào)查結(jié)果表明，無伸縮縫橋梁具有良好的抗震性能。日本的試驗(yàn)研究也表明，當(dāng)整體式橋臺(tái)快速震動(dòng)時(shí)，被動(dòng)土壓力可吸收大量的能量。

對于有縫的彎斜橋而言，其主梁受到彎扭耦合作用，易在伸縮縫處出現(xiàn)主梁偏位、支座脫空等病害。取消舊橋的伸縮縫和伸縮裝置，并將搭板、主梁、橋臺(tái)連為一體，搭板能對主梁壓重并進(jìn)行約束，可避免傳統(tǒng)彎斜橋常見的病害，提高橋梁的行車舒適性、安全性，降低維護(hù)成本。

公路運(yùn)營多年后，路面難免出現(xiàn)一些病害，需要定期修補(bǔ)。在進(jìn)行路面修復(fù)的過程中，將改變舊路的高程，然而伸縮裝置的標(biāo)高很難改變，這就造成路面、橋面的罩面施工在伸縮裝置處難以處理，給路面的定期養(yǎng)護(hù)帶來很大的困難，因此有必要對舊橋進(jìn)行無縫化改造。

20世紀(jì)50～90年代，我國修建了大量的裝配式簡支梁橋。隨著運(yùn)營年限的增加及交通的發(fā)展，大量此類橋梁面臨承載能力下降，難以適應(yīng)頻繁的車載甚至超載車輛的運(yùn)行，亟需進(jìn)行升級改造。國內(nèi)已有一些舊橋的無縫化改造采用了簡支改連續(xù)的方案，現(xiàn)場試驗(yàn)和理論分析表明改造后的橋梁承載力顯著提高，行車舒適性也大大增加。實(shí)踐證明，舊橋的連續(xù)化改造是提高舊橋承載能力和安全性能的一種切實(shí)有效的措施。

4.2 研究展望

舊橋運(yùn)營多年后，主梁的混凝土收縮徐變已基本完成，基礎(chǔ)沉降以及構(gòu)件之間的非彈性變形也基本完成，其縱橋向變形比新建橋梁小很多，因此適合于進(jìn)行無縫化改造。然而，舊橋的改造與新橋的建設(shè)不同，存在諸多具體困難。

一些舊橋的設(shè)計(jì)資料、竣工資料不完整，甚至沒有設(shè)計(jì)資料和地質(zhì)資料，橋梁結(jié)構(gòu)的跨徑、詳細(xì)尺寸等還需要進(jìn)一步進(jìn)行測量，結(jié)構(gòu)的配筋情況、臺(tái)后填料的物理力學(xué)性能、基礎(chǔ)的埋置深度以及所處的土層情況等往往不明確，進(jìn)一步加大了舊橋無縫化設(shè)計(jì)的難度。因此，今后需要加強(qiáng)舊橋承載能力評估等相關(guān)問題的研究。

當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，有縫橋的主梁等上部結(jié)構(gòu)所發(fā)生的縱橋向伸縮變形，將通過伸縮裝置進(jìn)行消化吸收，其橋臺(tái)后的土體不易出現(xiàn)被動(dòng)土壓力，土壓力的計(jì)算以主動(dòng)土壓力為主，其計(jì)算方法與擋土墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算類似。因此，我國現(xiàn)行規(guī)范給出了有縫橋臺(tái)后土壓力的計(jì)算方法，不考慮臺(tái)后被動(dòng)土壓力的計(jì)算。對舊橋進(jìn)行無縫化改造后，上部結(jié)構(gòu)由于溫度作用所產(chǎn)生的伸縮變形對橋梁上下部結(jié)構(gòu)受力均產(chǎn)生較大的影響，橋臺(tái)將受到被動(dòng)土壓力作用。因此，需要進(jìn)一步對舊橋的溫度變化模式、溫度作用下變形吸納機(jī)理、臺(tái)-土相互作用機(jī)理、以及結(jié)構(gòu)的傳力機(jī)制、承載力計(jì)算方法等問題進(jìn)一步開展研究。

對于采用柔性樁基的舊橋進(jìn)行無縫化改造后，主梁與橋臺(tái)、橋臺(tái)與樁基聯(lián)為一體，提高了橋臺(tái)的抗傾覆和抗滑移的能力，但橋臺(tái)在臺(tái)后土壓力作用下由有縫橋時(shí)的豎向懸臂結(jié)構(gòu)變成為有水平支承的豎向懸臂結(jié)構(gòu)，橋臺(tái)和樁都會(huì)受到較大的土壓力。我國現(xiàn)行規(guī)范中橋梁樁基的計(jì)算主要是基于線彈性、小變形的設(shè)計(jì)理念，與無縫橋橋臺(tái)樁基的非線性、大變形受力特征存在較大差異，相關(guān)研究也較為滯后，因此急需開展基于大位移的無縫橋樁基的設(shè)計(jì)計(jì)算方法研究。

5 結(jié)束語

舊橋的伸縮裝置不僅容易損壞，而且難以修復(fù)，已經(jīng)成為公路養(yǎng)護(hù)部門最為棘手的難題之一。本文通過綜述國內(nèi)外無縫橋梁的發(fā)展與應(yīng)用，收集國內(nèi)舊橋無縫化改造技術(shù)的相關(guān)資料，對舊橋無縫化的工程意義、發(fā)展前景、存在的困難進(jìn)行分析，指出舊橋的無縫化可提高其承載力、行車舒適性和抗震性能，具有廣闊的應(yīng)用前景和重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，同時(shí)也存在較多不容忽視的技術(shù)難題。

目前我國在役橋梁原始資料的收集和定期檢查結(jié)果的匯總等方面工作尚有不足，而且既有橋梁無縫化改造的研究與應(yīng)用方面也處于起步階段，今后還需進(jìn)一步完善資料收集工作，繼續(xù)開展相關(guān)技術(shù)研究，并加強(qiáng)工程應(yīng)用，推動(dòng)舊橋無縫化改造技術(shù)在我國的應(yīng)用與發(fā)展。

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(責(zé)任編輯： 陳雯)

Jointless reconstruction technology of old highway bridges

Lin Shangshun1，2， Lin Wen1，2, Qu Zhijing1，2, Chen Shengfu1，2

(1. Fujian Provincial Key Laboratory of Advanced Technology and Informationization in Civil Engineering, Fuzhou 350118, China; 2. College of Civil Engineering, Fujian University of Technology, Fuzhou 350118, China)

The extension device of a highway bridge is the most vulnerable part of bridge structure, which is difficult to repair. The development process of domestic and foreign jointless bridges as well as the engineering cases of old jointless bridge and other related research were reviewed. Domestic common design methods of the jointless reconstruction of old bridges and the treatment technology of the jointless structure of the bridge pier and abutment were described. The engineering significance, application prospects and problems of the old bridge jointless reconstruction technology were analysed. The results show that the jointless reconstruction of the old bridges can improve the bearing capacity, driving comfortability and seismic performance of the bridges. The direction of future research and the technical problems in the reconstruction were discussed.

jointless bridge; old bridge; disease; jointless reconstruction; bearing capacity

2017-03-25

福州市科技局市校合作項(xiàng)目(2016-G-62)

林上順(1972- )，男，福建永泰人，高級工程師，博士，研究方向：道路，橋梁。

10.3969/j.issn.1672-4348.2017.03.001

TU318

A

1672-4348(2017)03-0205-05