基于文保要求的南京長江大橋雙曲拱橋加固方案比選及設(shè)計

秦向杰，何初生，陳春，張亞梅，劉華，郭建

(1.東南大學(xué) 建筑設(shè)計研究院有限公司, 江蘇 南京 210096; 2.東南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院; 3.中鐵大橋勘測設(shè)計集團有限公司; 4.南京市公共工程建設(shè)中心)

1 工程概況

1.1 工程簡介

南京長江大橋是長江上第一座由中國自行設(shè)計和建造的雙層式鐵路、公路兩用橋梁，在中國橋梁史和世界橋梁史上具有重要意義，有“爭氣橋”之稱。它不僅是新中國技術(shù)成就與現(xiàn)代化的象征，更承載了中國幾代人的特殊情感與記憶。2014年7月大橋入選不可移動文物，2016年9月大橋橋頭堡入選首批中國20世紀建筑遺產(chǎn)名錄。引橋采用富有中國特色的雙曲拱橋形式，這種橋型是1964年無錫縣交通局橋梁工程隊發(fā)明創(chuàng)造的，由于其材料用量省，在那個資金短缺的年代該橋型曾風(fēng)靡中國，但隨著國家經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，交通量的增加，該橋型已不能完全滿足交通荷載的增長需求。

南京長江大橋公路引橋雙曲拱橋位于主線橋兩端，分別與T梁引橋、引道連接，共計22孔，其中北岸4孔，長137 m；南岸18孔，長623.18 m。南岸和北岸雙曲拱橋的橋?qū)捑鶠?0.1 m，車行道寬15 m，兩側(cè)各有2.55 m寬(含欄桿)的人行道。各孔均為等截面懸鏈線無鉸拱，矢跨比1/4～1/5。南、北岸引橋跨徑為27.68～34.9 m。另有分岔落地回龍橋共12孔，也是雙曲拱橋?；佚垬蛉珮?qū)?3.1 m，車行道寬8 m，兩側(cè)各有2.55 m寬(含欄桿)的人行道?；佚垬蚩傞L328.2 m?；佚垬蚩鐝椒?2.7 m和22 m兩種，各孔均為等截面懸鏈線無鉸拱，10肋9波。

下部結(jié)構(gòu)除回龍橋22 m跨徑采用擴大基礎(chǔ)外，其余均為群樁基礎(chǔ)。拱上填料為石灰煤渣土(15∶70∶15)，填料重度γ=16.5 kN/m3，填料頂面為4 cm瀝青混凝土+1.5 cm瀝青砂。南北引橋雙曲拱橋典型橫斷面見圖1。

圖1 南北引橋雙曲拱橋典型橫斷面圖(單位：cm)

1.2 老橋病害

檢測發(fā)現(xiàn)，雙曲拱橋以耐久性病害為主，并有加速發(fā)展的趨勢。主拱圈拱肋下表面混凝土出現(xiàn)沿主筋的開裂、剝落、露筋，外露鋼筋銹蝕嚴重?；炷撂蓟疃容^大，部分鋼筋的腐蝕電位較高。拱波波頂局部縱橋向裂縫，橋面破損嚴重，泄水管腐蝕破損，腹拱波橫橋向裂縫等。

根據(jù)檢測評定結(jié)果，雙曲拱橋上部結(jié)構(gòu)狀況較差，南岸雙曲拱橋、北岸雙曲拱橋、回龍橋整體技術(shù)狀況分別評定為5類、4類、4類。表明拱橋主要構(gòu)件有大的缺損或嚴重缺損，嚴重影響橋梁使用功能或不能正常使用。

4孔雙曲拱橋的荷載試驗表明：拱肋結(jié)構(gòu)各橫向聯(lián)結(jié)較差。卸載后，結(jié)構(gòu)的相對殘余應(yīng)變率離散性較大，約50%的主要測點相對殘余應(yīng)變率大于20%，表明結(jié)構(gòu)的彈性恢復(fù)能力較差。雙曲拱橋各片拱肋橫向分布測試表明：實測荷載橫向分布曲線與理論計算曲線部分測點存在較大突變，表明雙曲拱橋的橫向剛度有所降低。通過對南北岸引橋動力測試，實測基頻均小于理論基頻值，評定標度為5，說明拱橋整體性降低。

對老橋結(jié)構(gòu)進行承載力檢算結(jié)果表明：拱橋現(xiàn)狀承載能力不能滿足原設(shè)計汽車-18級荷載的要求，僅能滿足汽車-10級荷載的通行要求。

2 加固方案比選

經(jīng)過多年研究論證，從橋梁現(xiàn)狀病害出發(fā)，充分考慮橋梁歷史地位及文物保護要求，確定南京長江大橋公路橋維修改造總原則為“修舊如故” ，盡可能多地保留南京長江大橋的歷史文化價值。針對雙曲拱橋，具體改造理念包括：① 維持雙曲拱橋的結(jié)構(gòu)體系與外觀基本不變；② 上部結(jié)構(gòu)重量基本不變；③ 重點提升結(jié)構(gòu)的耐久性；④ 選用合理的材料、工藝，確保加固目標。

在雙曲拱橋方案比選階段，也曾經(jīng)考慮保留下部結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)全部拆除，更換為肋拱橋。此方案利用原下部結(jié)構(gòu)，上部構(gòu)造拆除重建，可以徹底保證重建后結(jié)構(gòu)的安全、耐久。但肋拱橋?qū)Y(jié)構(gòu)體系做了重大調(diào)整，外形改變也很大，與文物保護總原則完全背離，因此最終被否決。

雙曲拱橋主拱圈加固方式較多，通過前期調(diào)研及工程實踐，其中最為有效的是拱肋增設(shè)底板，設(shè)為箱形斷面的方案，但該方案對拱肋外形帶來根本性的改變，也不符合文物橋梁維修改造總原則要求。綜合權(quán)衡，在保證文保要求及主體結(jié)構(gòu)承載力提升雙重制約下，設(shè)計提出對下部基礎(chǔ)基本保留利用，上部主拱圈外包薄層混凝土增大截面，并對橋面系進行改造，共提出兩個方案。

2.1 方案1

方案1：保留下部結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)主拱圈增大截面法加固，換填拱上填料，改造立面見圖2。

圖2 方案1：雙曲拱半立面構(gòu)造圖 (單位：cm)

該方案主要考慮結(jié)構(gòu)病害大多為耐久性病害，主體受力結(jié)構(gòu)拱肋未見明顯破壞性的病害，橋梁結(jié)構(gòu)較為完整。且由于橋面上采取了限制貨車通行的措施(該措施以后仍將保持)，大大減輕了可能的超載貨車對結(jié)構(gòu)的破壞。

由于原有拱上填料受水侵蝕變形破壞嚴重，此次加固擬更換全部填料為輕質(zhì)泡沫混凝土填料。該材料自重輕、強度高、整體性好、施工方便。在泡沫混凝土填料頂面施工鋼筋混凝土板及瀝青混凝土。

2.2 方案2

方案2：保留下部結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)主拱圈增大截面法加固，去除拱上填料，增設(shè)橋面板，改為梁板式拱上建筑，改造立面見圖3。

該方案主拱圈加固方法同方案1，考慮到拱上填料一旦換填改造完成，后期檢查及養(yǎng)護難度較大。結(jié)合上部結(jié)構(gòu)減載的要求，方案2采用挖除拱上填料，加高原腹拱墩、增設(shè)蓋梁后，再設(shè)置混凝土橋面板，形成梁板式拱上建筑。橋面板采用結(jié)構(gòu)簡支、橋面連續(xù)。

2.3 方案比較

雙曲拱橋加固方案1、2比較見表1。

圖3 方案2：雙曲拱半立面構(gòu)造圖 (單位：cm)

表1 雙曲拱橋加固方案比較

由表1可見：方案1主體結(jié)構(gòu)和外觀均忠實于原結(jié)構(gòu)；方案2外觀與原結(jié)構(gòu)基本一致，但拱上建筑的共同受力方式同原結(jié)構(gòu)相差甚遠。經(jīng)過綜合比選，并會同有關(guān)部門多輪共同協(xié)商討論，按照大橋雙曲拱橋文物“修舊如故”的總原則，忠實于雙曲拱橋原結(jié)構(gòu)受力體系，最終采用方案1作為南京長江大橋雙曲拱橋維修加固的實施方案。

3 實施方案綜述

維修加固主要包含3大部分內(nèi)容：主拱圈加固及橫系梁加強、填料及橋面更換、附屬構(gòu)造維修。

根據(jù)主拱圈病害特征，對所有拱肋外包鋼筋混凝土，拱腳附近的拱背加厚混凝土，增加結(jié)構(gòu)剛度，提高橋梁承載能力及原結(jié)構(gòu)的耐久性。主拱圈增大截面采用C35模筑自密實混凝土，拱肋底面加厚10 cm，中拱肋側(cè)面各加寬7 cm，邊拱肋內(nèi)側(cè)加寬10 cm，外側(cè)面尺寸不變，見圖4。根據(jù)結(jié)構(gòu)受力需要，在縱向腹拱墩之間的主拱圈頂面鑿除1 cm厚的混凝土層，并重新澆筑一層8 cm厚混凝土，并在混凝土內(nèi)設(shè)置一定數(shù)量的縱橫向受力鋼筋，拱背混凝土采用常規(guī)C40混凝土澆筑。在主跨跨中附近原4道小拉桿增大為橫系梁，對橫向聯(lián)系進行了加強。

圖4 拱肋增大截面示意圖(單位：cm)

此次改造將原有拱上石灰煤渣土填料全部更換為A06等級泡沫混凝土。泡沫混凝土上現(xiàn)澆19～25 cm厚鋼筋混凝土板。為保證橋面行車舒適性，同時降低鋼筋混凝土板端部錨力對老橋的不利影響，在板端每兩跨設(shè)一道伸縮縫，以提高橋面的耐久性與防水性能。鋼筋混凝土板頂面設(shè)置9 cm瀝青混凝土。

防排水設(shè)施的更新與加強也是此次維修改造的重點，采用多重防排水設(shè)施，加強了橋面防排水，增加了拱背防水，加密了泄水管，優(yōu)化了填料滲水的排放方式。其他拱上建筑基本維持不變，主要進行裂縫、缺陷修補和耐久性涂裝。

4 為滿足文保要求采取的關(guān)鍵措施

該工程由于文物保護的特殊需求，其加固限制條件較多，最突出的矛盾是既要維持原有結(jié)構(gòu)體系與外觀，又要大幅度提升結(jié)構(gòu)的承載能力、使用功能與耐久性。針對這些矛盾和需求，在分析和借鑒相似工程的基礎(chǔ)上，以基本不影響結(jié)構(gòu)整體外觀為前提，該橋加固設(shè)計的關(guān)鍵措施達到了大力提升雙曲拱橋承載能力的目的。

4.1 薄層自密實混凝土增大拱肋截面及橫系梁增強措施

(1) 拱肋增大截面措施

主拱圈是雙曲拱橋的主要受力構(gòu)件，主拱圈由拱肋、拱波、拱板、橫向聯(lián)系4部分組成。當(dāng)初設(shè)計時充分考慮了主拱圈各組成構(gòu)件的共同受力，因此截面尺寸取值較小，加上風(fēng)雨侵蝕，拱肋混凝土銹脹開裂，導(dǎo)致截面剛度下降，主拱圈的承載能力已不能滿足現(xiàn)有荷載的要求，需進行加固。

主拱圈加固采用拱肋外包混凝土增大截面，可以大幅提升結(jié)構(gòu)承載能力，同時也可以覆蓋拱肋的耐久性病害，因此該方案是主拱圈加固的優(yōu)選方案。但若外包截面采用常規(guī)混凝土澆筑，根據(jù)CJJ/T 239-2016《城市橋梁結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)程》，梁和受壓構(gòu)件的新澆筑混凝土層厚度不宜小于150 mm，這將會帶來外觀改變的極大風(fēng)險，對文保要求提出了新的挑戰(zhàn)。

為了減少外觀的變化，設(shè)計在滿足新加截面鋼筋最小保護層厚度的前提下，盡量減小加固截面尺寸。經(jīng)反復(fù)論證，最終確定拱肋加固材料采用自密實混凝土，在原主拱圈尺寸基礎(chǔ)上底面加厚10 cm，中拱肋側(cè)面各加厚7 cm，邊拱肋外側(cè)不加，內(nèi)側(cè)加厚10 cm。加固工藝采用自拱腳往拱頂分節(jié)段壓注的方法。

(2) 橫系梁增強措施

此橋拱板采用了填平式拱板，拱板在波頂位置尺寸最薄，因此部分拱板在施工及使用過程中產(chǎn)生了縱橋向裂縫，加上拱肋橫向聯(lián)系均為截面尺寸較小的小拉桿連接(截面尺寸8 cm×11 cm)，導(dǎo)致橫向各片拱肋協(xié)同受力狀況較差，這在改造前荷載試驗結(jié)果中也有反映。后期由于抗震需要在每跨跨中及四分點做了大橫梁加強(截面尺寸25 cm×38 cm)，即使這樣，拱頂由于活載傳力路徑最短，拱肋間的橫向分布在跨中附近還是偏弱。綜合考慮，對每跨跨中附近原6根小連桿進行截面增大，增大后的尺寸為20 cm×29 cm。通過橫系梁增強，可使橫向各片拱肋受力更加均勻，主拱圈總體承載能力進一步提高，而截面外觀改變也降至最小。

4.2 輕質(zhì)泡沫混凝土填料及鋼筋混凝土板復(fù)合橋面的應(yīng)用

原雙曲拱橋拱上填料為石灰煤渣土，該材料是20世紀60年代的產(chǎn)物，近50年的運營表明：該填料由于長期水損壞嚴重，導(dǎo)致其自身強度降低及橋面瀝青鋪裝的維修不徹底。設(shè)計在EPS板材、聚氨酯發(fā)泡材料、泡沫混凝土、EPS顆粒混合土、輕質(zhì)陶?；炷?、固化粉煤灰、石灰粉煤灰、砂礫填料等眾多填料中，經(jīng)過反復(fù)比較論證，最終采用比重輕、施工可行、性能穩(wěn)定的泡沫混凝土。

泡沫混凝土頂面的橋面鋪裝結(jié)構(gòu)層是此次設(shè)計成敗的關(guān)鍵。設(shè)計創(chuàng)新性地在泡沫混凝土頂面設(shè)置一層不等厚的鋼筋混凝土板作為復(fù)合橋面基層，然后在鋼筋混凝土板頂面鋪筑瀝青混凝土，既滿足了結(jié)構(gòu)整體受力的需要，又滿足了行車舒適性。

泡沫混凝土的應(yīng)用是在保證結(jié)構(gòu)強度及耐久性的前提下，充分實現(xiàn)了橋梁總體荷載不增加的要求。泡沫混凝土頂面設(shè)置連續(xù)配筋混凝土復(fù)合橋面，一方面可以大大增強結(jié)構(gòu)的長期使用耐久性；另一方面整體式鋼筋混凝土板可以分散后期橋面活載，提高雙曲拱橋結(jié)構(gòu)的整體受力性能。兩者相結(jié)合，總體上既保留了雙曲拱橋結(jié)構(gòu)原有受力體系，也滿足了橋梁文物保護的相關(guān)要求。

5 結(jié)語

南京長江大橋雙曲拱橋維修加固兼具文物保護及提升結(jié)構(gòu)承載能力的雙重需求。在設(shè)計方案論證比選階段，最終維持了原結(jié)構(gòu)受力體系及原橋外觀；施工圖設(shè)計階段，通過采用薄層混凝土增大拱肋截面、增強拱肋橫系梁、換填拱上輕質(zhì)泡沫混凝土填料及在填料頂面增設(shè)整體鋼筋混凝土板等措施，大幅度提升了橋梁結(jié)構(gòu)承載能力及結(jié)構(gòu)耐久性能。

南京長江大橋于2018年12月28日改造完畢并恢復(fù)通車，經(jīng)過一段時間的運行，雙曲拱橋受力狀況良好，改造后外觀與原設(shè)計基本一致，達到了設(shè)計預(yù)期，也必將成為文物橋梁加固設(shè)計的典范。