鋼混疊合連續(xù)梁橋提載與抗震加固技術(shù)研究

張雨田

（武漢二航路橋特種工程有限責(zé)任公司，武漢 430071）

1 工程概況

哥斯達黎加32 號公路Rio Chirripo 大橋建于19 世紀70年代，橋梁總長430.9 m，跨徑布置為15.86 m+59.39 m+67 m+2×73.2 m+67 m+59.39 m+15.86 m。橋?qū)?0.32 m，設(shè)雙向2車道和人行道。上部結(jié)構(gòu)為4 片間距2.5 m 的I 形鋼梁與厚187 mm 的鋼筋混凝土橋面板組成的疊合梁。下部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土板式橋墩、輕型橋臺、H 型鋼樁基礎(chǔ)。原設(shè)計活荷載等級為HS20-44，未考慮地震荷載。

檢測顯示，該橋第8 跨在1991 年利蒙大地震期間落梁，被回填為道路，以維持橋梁運營。此外，橋梁存在橋面板開裂、鋼梁橫向移位、斜撐變形、搖軸支座傾斜、鋼結(jié)構(gòu)腐蝕、蓋梁破損開裂等病害。

32 號公路修復(fù)與擴建項目要求對該橋進行提載和抗震加固，將活荷載等級提高到HL-93（活載提高約25%），橋面由雙向2 車道通行改為單向2 車道通行，改造后僅在一側(cè)設(shè)人行道，橋面總寬調(diào)整為10.6 m，恢復(fù)原設(shè)計橋長，并在橋面設(shè)瀝青混凝土橋面鋪裝。

根據(jù)上述要求，除檢測報告所述外觀病害外，舊橋還存在橋面板厚度不足（規(guī)范要求203 mm）、主梁承載能力不足、蓋梁承載能力不足、抗震性能不滿足規(guī)范要求等問題，需通過研究加以解決。

2 橋梁提載加固方案

2.1 常規(guī)病害整治

鋼梁在地震作用下發(fā)生瞬時位移，地震后受搖軸支座約束不能恢復(fù)，在繼續(xù)運營近30 年后，一部分位移已形成永久塑性變形，不能恢復(fù)。加固時，可采用千斤頂在墩頂對主梁進行橫向頂推糾偏，糾正彈性范圍內(nèi)的位移。

研究發(fā)現(xiàn)，垮塌的邊跨橋臺處，地基土存在輕微液化現(xiàn)象，原設(shè)計H 型鋼樁埋深約16 m，地震時橋臺基礎(chǔ)下沉，在水平撞擊力作用下臺身破壞并發(fā)生水平位移，導(dǎo)致邊跨落梁?；謴?fù)邊跨時仍采用相同的跨徑，為避免地基液化的影響，采用鉆孔灌注樁，樁長穿透液化層，上部結(jié)構(gòu)采用新鋼梁予以恢復(fù)。

鋼結(jié)構(gòu)表面應(yīng)重做長效型防腐涂裝。對其他病害應(yīng)按規(guī)定工藝進行處置。

2.2 橋面板加固

該橋橋面板縱、橫向裂縫病害嚴重，現(xiàn)狀橋面板厚度不滿足規(guī)范JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》關(guān)于設(shè)置防撞護欄的懸臂板最小厚度要求（203 mm），且現(xiàn)狀1.17%的橫坡不滿足項目約2%橫坡的技術(shù)要求，綜合考慮后決定將橋面板拆除重建為厚220 mm 的鋼筋混凝土橋面板。為避免增加過多恒載，橋面板仍采用雙向橫坡，僅根據(jù)新車道布置調(diào)整路拱中心位置。

2.3 連續(xù)跨鋼主梁加固

該橋上部結(jié)構(gòu)原設(shè)計承載能力富余量極低，現(xiàn)狀上部結(jié)構(gòu)不能滿足提載至HL-93 的要求。新橋面板加寬、加厚及橋面加鋪瀝青混凝土導(dǎo)致橋面系恒載增加49.0%，上部結(jié)構(gòu)總恒載增加29.9%，在此基礎(chǔ)上活載增加約25%。針對連續(xù)梁提出了原梁頂增高截面、原梁底增高截面、跨中增設(shè)橋墩、新加鋼主梁幾種方案。

原梁頂增高截面方案，是在原鋼梁頂面用膠栓連接將一個新的工字形截面固定在梁頂，以增加鋼梁高度，再重做剪力鍵和橋面板。原鋼梁腹板在跨中和中間支點處高度分別為2 286 mm 和2 896 mm，由于原鋼梁應(yīng)力是多次疊加而來，經(jīng)計算，新鋼梁加高500 mm 時，對原鋼梁應(yīng)力的改善效果不明顯，繼續(xù)增加梁高意義不大，而橋頭引道改造的工程量顯著增加。

原梁底增高截面方案與梁頂增高截面方案的思路與流程基本相同，計算顯示，梁底增高截面對原鋼梁正彎矩區(qū)應(yīng)力改善效果較梁頂增高截面好，對原梁負彎矩區(qū)應(yīng)力改善的效果較梁頂增高截面的差。而梁底作業(yè)難度更大。

跨中增設(shè)橋墩方案將原梁正彎矩區(qū)改為負彎矩區(qū)，能有效降低鋼梁正負彎矩及剪力峰值，但新增下部結(jié)構(gòu)工程量較大，新增下部結(jié)構(gòu)對橋址處水文計算造成不利影響，且考慮到新增橋墩受載后易發(fā)生基礎(chǔ)沉降，難以確保新增橋墩按設(shè)計要求參與承受上部荷載。

新增鋼主梁方案是在原有4 片鋼梁的基礎(chǔ)上，再增加2片與原鋼梁截面尺寸一致的新鋼梁，并重做橫向聯(lián)系。6 片鋼梁橫橋向間距為1.25 m、1.25 m、2.5 m、1.25 m、1.25 m。為避免負彎矩區(qū)橋面板在運營階段開裂，采用鋼梁與橋面板在正彎矩區(qū)疊合、負彎矩區(qū)不疊合的方案，為此，在中間墩頂及其兩側(cè)16～20 m 處各設(shè)一道2 cm 寬的橡膠條伸縮縫，在此范圍內(nèi)鋼梁頂面不設(shè)剪力鍵。該方案主梁承載力提高約50%，與上部結(jié)構(gòu)恒載、活載效應(yīng)增量和相當(dāng)，加固前后鋼梁使用階段應(yīng)力變化不大。

經(jīng)技術(shù)、造價、工期等各方面比選后，最終選擇了新增鋼主梁方案作為該橋上部結(jié)構(gòu)加固方案。簡支跨鋼梁無須加固即可滿足規(guī)范要求。

2.4 下部結(jié)構(gòu)加固

下部結(jié)構(gòu)加固應(yīng)結(jié)合抗震綜合考慮。圓端形板式橋墩橫橋向尺寸4 m，縱向尺寸有1.2 m 和1.5 m 兩種，蓋梁橫向兩側(cè)各有2.45 m 長懸臂，因上部結(jié)構(gòu)恒、活載增加，并考慮豎向地震力作用，蓋梁抗彎承載力僅有荷載效應(yīng)的70%。綜合考慮支座更換導(dǎo)致的墩頂標高變化，在蓋梁頂面增厚截面23 cm 或24 cm，在蓋梁前后兩面各增厚20 cm。蓋梁加固在橋面系拆除后進行。

3 橋梁抗震加固方案

3.1 抗震模式選擇

該橋原設(shè)計未考慮地震荷載，墩、臺、基礎(chǔ)配筋率均較低，墩身（不含蓋梁）高9.4～10 m，在泥面以下埋深約4 m。按剛性抗震進行計算時，各橋墩承載力不滿足要求，需增大截面加固。橋梁跨越Chirripo 河，河槽平坦、水面寬廣、流量大、存在暴漲暴落現(xiàn)象，河床遍布卵石、塊石，墩身在泥面下埋深較大，開挖困難。從經(jīng)濟、安全、工期等角度分析，排除了剛性抗震方案。

連續(xù)梁采用減隔震方案時，分別按高阻尼橡膠支座、鉛芯橡膠支座、雙曲面摩擦擺支座進行了支座選型與試算。結(jié)果顯示，常規(guī)尺寸的高阻尼橡膠支座、摩擦擺支座無法滿足該橋抗震需求。用摩擦擺支座做詳細分析，設(shè)定支座主要技術(shù)參數(shù)如下：等效曲面半徑2.51 m，摩擦系數(shù)0.06，極限位移380 mm。得最大位移量234.1 mm，滿足要求。

簡支鋼梁采用高50 mm 的普通板式橡膠支座，經(jīng)計算可滿足抗震需求。

3.2 抗震構(gòu)造措施

原橋在橋臺處設(shè)6 c m 伸縮縫、在1 號、7 號橋墩處設(shè)12 cm 伸縮縫，鋼梁端頭間距14 cm。根據(jù)抗震計算結(jié)果，1 號、7 號墩處鋼梁間隙不能滿足地震作用下的位移需求，采取措施在1 號、7 號墩頂布置伸縮量大于234.4 mm 的伸縮縫既不經(jīng)濟又難以實施。最終采取將簡支梁縱向平移2 cm，在兩橋臺處設(shè)4 cm 伸縮縫，在連續(xù)梁端部設(shè)置伸縮量16 cm 的伸縮縫的方案，該方案在設(shè)計地震作用下，伸縮縫將被破壞，更換伸縮縫后橋梁可繼續(xù)正常使用。

在每一個墩臺處，均對鋼梁增設(shè)了橫向防落梁擋塊，橫向防落梁擋塊采用鋼牛腿的形式，通過植入錨栓固定在墩臺蓋梁頂面，作為支座破壞后的保護措施，不考慮擋塊向下部結(jié)構(gòu)傳遞水平荷載。一聯(lián)主梁在每個橋墩處僅設(shè)置兩個橫向防落梁擋塊。簡支梁兩端增設(shè)了縱向防落梁擋塊，擋塊焊接在鋼梁底面。

4 橋梁加固施工

4.1 工藝流程

Rio Chirripo 大橋加固施工在其上游新橋建成通車后進行。

主要工藝流程如下：施工準備—新鋼梁分段加工、新支座等加工—舊鋼梁防腐涂裝—防撞護欄、人行道切割拆除—左、右兩側(cè)各1/3 橋面板拆除—鋼梁頂推復(fù)位—邊梁臨時固結(jié)及原橫向聯(lián)系解除—新增鋼梁分段安裝—中間1/3 橋面板拆除—臨時固結(jié)措施拆除—新橫向聯(lián)系安裝—支座更換—蓋梁加固—新橋面板及橋面附屬設(shè)施安裝。

4.2 施工關(guān)鍵技術(shù)

4.2.1 鋼梁加工

鋼結(jié)構(gòu)制作和安裝精度要求高，新增鋼結(jié)構(gòu)及連接板制造安排在專業(yè)鋼結(jié)構(gòu)加工廠內(nèi)進行。應(yīng)注意以下要點：（1）采取預(yù)補償量的零件下料工藝措施；（2）孔群的制造采用模板鉆孔工藝；（3）大縱梁、小縱梁、梁加強構(gòu)件在工廠專用生產(chǎn)線上生產(chǎn)；（4）鋼主梁的下料與加工應(yīng)考慮施工預(yù)拱度；（5）鋼結(jié)構(gòu)的焊接應(yīng)通過藥芯焊絲二氧化碳氣體保護進行自主焊接。

4.2.2 鋼梁安裝

鋼梁安裝過程是該橋加固過程中風(fēng)險最高的階段，如何控制施工過程中新舊結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，以及確保新結(jié)構(gòu)安裝線形與安裝進度是項目重難點。做好鋼梁安裝，應(yīng)注意以下要點：（1）鋼梁安裝應(yīng)從墩頂向兩端逐段對稱進行，在墩頂做好臨時固結(jié)，在懸臂段用臨時鋼支撐做好橫向和豎向限位措施；（2）鋼梁在自重及二期恒載作用下彈性變形大，拼裝過程應(yīng)做好施工監(jiān)控，嚴格按照設(shè)計預(yù)拱度進行節(jié)段定位拼裝，發(fā)現(xiàn)偏差及時糾正；（3）為確保橫向初始應(yīng)力為零，應(yīng)在全部鋼梁安裝完成且橋面板全部拆除后再開始橫向聯(lián)系安裝。

4.2.3 支座更換

對于多跨連續(xù)結(jié)構(gòu)進行同步頂升，控制各頂升點的同步性是施工難點，各頂升點位差異太大容易造成梁體本身或者橫向聯(lián)系的損傷。由于同步頂升涉及多個千斤頂?shù)耐娇刂?，對設(shè)備、操作人員的技術(shù)要求均較高。根據(jù)本橋施工實際，總結(jié)更換減隔震支座技術(shù)要點如下：（1）安設(shè)千斤頂和臨時支撐時，應(yīng)清理蓋梁頂面廢棄物，并對布設(shè)千斤頂和臨時支護處進行找平修補，確保千斤頂安裝水平；（2）千斤頂安裝完成后，必須進行試頂，試頂?shù)年P(guān)鍵目的是排除支護自身的彈性變形，試頂升無異常后進行整體頂升；梁體頂升施工中，嚴格控制同一墩上各梁的高差在±0.5 mm 以內(nèi)，整體頂升高度控制在5 mm，待鋼梁和支座脫離即可；（3）梁體頂起到位后，落梁于臨時支撐上，拆除舊支座；（4）嚴格按設(shè)計要求安裝新支座，注意安裝位置精確[1]。

5 結(jié)語

舊橋加固是一項邊界復(fù)雜、技術(shù)難度大、施工風(fēng)險高的工程，同時對橋梁進行提載和抗震加固的工程案例極少。I 形截面鋼混疊合連續(xù)梁橋更是因其特殊的結(jié)構(gòu)形式和受力特點，無法像常規(guī)橋梁一樣采取增大截面、增設(shè)預(yù)應(yīng)力等加固方式，導(dǎo)致連續(xù)梁負彎矩區(qū)混凝土開裂問題是這類橋梁的通病，一直未能很好解決。

哥斯達黎加32 號公路Rio Chirripo 大橋加固項目充分汲取了原結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)秀理念，采取新增鋼梁的上部結(jié)構(gòu)提載加固方案，在連續(xù)梁墩頂及兩側(cè)設(shè)伸縮縫按非疊合梁設(shè)計，避免墩頂負彎矩區(qū)混凝土開裂問題。采用雙曲面摩擦擺支座進行減隔震設(shè)計，避免下部結(jié)構(gòu)改造。考慮伸縮縫為地震中可破壞構(gòu)件，避免因伸縮縫寬度不足而挪動主梁。該方案安全、環(huán)保、經(jīng)濟、高效，是一種有效的橋梁提載、抗震加固方法，具有重要的借鑒意義。