舊鋼筋混凝土懸臂梁橋改造設(shè)計研究

許明娟,李 萍,童 浩

(1.江蘇永瀚工程咨詢有限公司;2.江蘇南京市江寧區(qū)建設(shè)工程局;3.東南大學(xué)交通學(xué)院)

1 橋梁概況

某鋼筋混凝土懸臂梁橋建于1996年,全長76m,橋面全寬15.5m,橫向布置為1.75m(人行道)+12m(行車道)+ 1.75m(人行道)。橋梁橫向由9片T形截面梁通過橫隔板、8cm厚橋面混凝土鋪裝聯(lián)成整體。橋梁跨徑布置為(22+ 32+22)m,為鋼筋混凝土簡支單懸臂梁 +20m簡支掛梁。下部橋墩為蓋梁四柱式墩身、擴(kuò)大基礎(chǔ),0#臺為實(shí)體臺身、擴(kuò)大基礎(chǔ),3#臺為埋置式樁基礎(chǔ)。

該橋已建成運(yùn)營 13年,由于交通流量的日益增加,橋梁負(fù)荷加重,T梁之間的部分橫隔板鋼板聯(lián)接構(gòu)造損壞、施工質(zhì)量較差,原橋面混凝土鋪裝磨損、開裂嚴(yán)重,配筋過少,在T梁翼緣板之間沒有配置連接鋼筋,在此連接位置存在大量橋面縱向裂縫病害,甚至局部出現(xiàn)坑洞且貫穿橋面鋪裝。中跨掛梁支座損壞、失去工作性能,牛腿出現(xiàn)剪切斜裂縫。對該橋進(jìn)行的靜、動載試驗表明,縱向裂縫降低了上部結(jié)構(gòu)的整體工作性能,并一定程度上導(dǎo)致單梁受力,造成掛梁、懸臂梁存在多處受彎裂縫,且梁體變形、振動過大,表明主梁剛度不足,上部結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作性能已不能滿足汽 -20、掛 -100下正常使用極限狀態(tài)的承載力要求,但下部結(jié)構(gòu)無明顯病害和異常沉降變形。為了確保交通安全,臨時采取了封閉部分橋面和限載 5t的緊急措施。

該橋處于規(guī)劃六級航道上,所處縣道交通流量大、重載車輛多,對經(jīng)濟(jì)、社會影響較大,必須及時改造。但由于所跨河道上的其他老橋荷載等級低,不能安全承擔(dān)交通分流壓力。因此改造方案力求安全、適用、經(jīng)濟(jì)且最大程度地減小施工對交通的影響。雖然橋梁規(guī)模不是很大,但橋梁處于縣道、跨越航道的公路橋梁性質(zhì)必須對改造方案設(shè)計進(jìn)行比較全面的考慮。

2 改造方案研究

對于處于縣道上的舊橋改造,在確保安全的前提下要盡量利用原結(jié)構(gòu),進(jìn)行合理改造后維持或提高橋梁的荷載等級,消除安全隱患并提高長期耐久性,力爭在多種可選方案中甄選出最為經(jīng)濟(jì)、合理的方案。

在對該橋進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)查并認(rèn)真研究了檢測報告后,初步提出了全橋拆除重建、上部結(jié)構(gòu)拆除重建利用下部結(jié)構(gòu)以及維修加固三種方案進(jìn)行對比分析。從改造后的橋梁結(jié)構(gòu)性能、施工造成的交通、通航影響、改造費(fèi)用、施工工期及工藝等方面進(jìn)行了研究。

現(xiàn)場調(diào)查、強(qiáng)度檢測以及荷載試驗報告結(jié)論均表明,該橋下部結(jié)構(gòu),墩柱無病害且沖刷病害不明顯,混凝土強(qiáng)度能夠達(dá)到C30設(shè)計等級,荷載試驗中未發(fā)生塑性沉降。該橋原下部 0#臺、1#和 2#墩均采用擴(kuò)大基礎(chǔ),3#臺采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ),按摩擦樁設(shè)計,地質(zhì)條件變化較大。擴(kuò)大基礎(chǔ)持力層均位于淺層強(qiáng)風(fēng)化砂巖,鉆孔灌注樁基礎(chǔ)位于中風(fēng)化砂巖。持力層物理力學(xué)性能較好。

這些結(jié)論和數(shù)據(jù)、勘測資料為保留利用下部結(jié)構(gòu)的初步?jīng)Q策提供了重要依據(jù)。因此在初步提出的三種改造方案中,優(yōu)先考慮保留利用原下部結(jié)構(gòu)的上部結(jié)構(gòu)拆除重建方案、全橋維修加固方案。方案對比分析如下。

2.1 方案一:拆除上部結(jié)構(gòu)、保留利用下部結(jié)構(gòu)

對上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆除重建,通航凈空維持與原橋一致。對主梁結(jié)構(gòu)形式重新進(jìn)行設(shè)計,跨徑布置仍維持(22+32+ 22)m。

由于中跨 32m跨徑已經(jīng)超出了常用的先張法、后張法預(yù)應(yīng)力空心板梁的常用跨徑,本方案對預(yù)制裝配式預(yù)應(yīng)力T梁、現(xiàn)澆鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁以及預(yù)制裝配式先簡支后轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)連續(xù)組合小箱梁進(jìn)行了對比。對于采用預(yù)應(yīng)力T梁,難以做成連續(xù)梁結(jié)構(gòu),且現(xiàn)有墩、臺帽尺寸無法滿足多跨簡支梁支座擺放要求;對于現(xiàn)澆連續(xù)梁,因橋下通航要求(單向通航最小凈寬要求 25m),采用支架澆筑工藝對通航安全不利、影響大,支架費(fèi)用較高。

經(jīng)過構(gòu)造和結(jié)構(gòu)受力、施工條件等方面的比較,最終決定采用預(yù)制裝配式先簡支后轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)連續(xù)組合小箱梁形式, (22∶32∶22)的跨徑比例關(guān)系采用連續(xù)梁結(jié)構(gòu)也較為合理,原墩、臺帽經(jīng)適當(dāng)加高改造可以滿足設(shè)計需要,施工不會對通航造成直接影響。

2.2 方案二:上部結(jié)構(gòu)維修加固

由于橋面縱向裂縫的存在以及原橫向聯(lián)系構(gòu)造的設(shè)計、施工缺陷,已經(jīng)造成了單梁受力的情況。原設(shè)計T梁翼緣板之間沒有直接的鋼筋聯(lián)結(jié),而原較薄的橋面混凝土鋪裝層經(jīng)多年磨損后有些部位厚度不足 5cm。因此必須通過維修加固提高 T梁之間的橫向聯(lián)結(jié)性能,才能改善主梁受力狀態(tài)、提高整體剛度;同時對主梁進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng),使承載力得以滿足新設(shè)計荷載等級的需要。

維修加固方案的具體措施為:(1)刨除原橋面混凝土鋪裝;(2)在T梁翼緣板連接部位的頂、底面橫向粘貼鋼板; (3)橫隔板之間粘貼鋼板以加強(qiáng)橫向聯(lián)系;(4)對懸臂梁根部支點(diǎn)、主梁跨中、掛梁牛腿等關(guān)鍵受力部位采用粘貼鋼板法補(bǔ)強(qiáng);(5)重新澆筑加厚的橋面混凝土鋪裝,配置鋼筋網(wǎng)。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查情況,由于操作條件的限制,已損壞的掛梁支座更換難度很大。

2.3 改造方案比選

(1)結(jié)構(gòu)安全性與耐久性。

①對于維修加固的老橋,加固后實(shí)際能夠達(dá)到的荷載等級、承載能力極限狀態(tài)無法準(zhǔn)確探明,其難點(diǎn)在于加固前老橋自身存在缺陷、材料強(qiáng)度劣化以及各種病害,因此加固質(zhì)量和加固效果難以定量準(zhǔn)確評價。加固后橋梁的耐久性、使用壽命也難以準(zhǔn)確衡量。為了給加固設(shè)計提供依據(jù),應(yīng)在加固前后各進(jìn)行一次荷載試驗檢測;在投入使用后的長時間內(nèi),仍應(yīng)進(jìn)行定期觀測。

②方案一在拆除原上部結(jié)構(gòu)后進(jìn)行重新設(shè)計,采用預(yù)制裝配式組合小箱梁,設(shè)計方法和施工工藝成熟,新上部結(jié)構(gòu)完全能夠滿足結(jié)構(gòu)安全性、耐久性要求。新上部結(jié)構(gòu)和蓋梁加高改造自重較原有結(jié)構(gòu)增加 30%左右,增加了原下部結(jié)構(gòu)負(fù)荷,設(shè)計上必須確定原下部結(jié)構(gòu)有足夠的承載力富余。但相比方案二更能夠得到保證。

(2)施工工藝。

采用方案一,將上部結(jié)構(gòu)全部拆除,新梁的預(yù)制安裝、橋面系施工等均采用成熟工藝;采用方案二,保留利用主梁,施工工序較多,裂縫封閉、粘貼鋼板、表面處理等施工質(zhì)量控制要求高,工藝復(fù)雜且施工技術(shù)水平要求較高,需要大量輔助施工工藝和設(shè)備。方案二雖然工藝也較為成熟,但施工質(zhì)量的監(jiān)督、評價目前還未有詳細(xì)規(guī)范可依,加固部位原結(jié)構(gòu)、新增片材、膠結(jié)材料的耐久性無法驗證和確保。

(3)施工工期和交通、通航影響。

方案一施工主要經(jīng)歷橋面系拆除、吊梁、新梁預(yù)制、架梁、濕接縫現(xiàn)澆、橋面鋪裝澆筑與攤鋪等工序,新梁預(yù)制與其他工序可同步進(jìn)行,以加快施工進(jìn)度;方案二主要經(jīng)歷橋面系拆除、T梁加固、橋面板與橫隔板橫向聯(lián)系加強(qiáng)、橋面鋪裝澆筑與攤鋪等工序。

方案一施工總體工期略長于方案二,但方案二主梁維修加固必然對橋下通航造成顯著影響,施工期造成航道凈空壓縮,不利于通航安全。

(4)投資估算。

方案一總費(fèi)用主要考慮主梁預(yù)制安裝、上部結(jié)構(gòu)拆除、橋面系施工、設(shè)計、交通與航道管制、監(jiān)理、建設(shè)管理等費(fèi)用,預(yù)估投資 510萬元;方案二總費(fèi)用主要考慮橋面系拆除、裂縫封閉、橋面系施工、粘貼鋼板施工、主梁補(bǔ)強(qiáng)與橫向聯(lián)系加固、設(shè)計、交通與航道管制、監(jiān)理、建設(shè)管理等費(fèi)用,預(yù)估投資330萬元。方案二由于保留利用了原主梁,綜合費(fèi)用相對較低,較方案一少約 1/3。

綜合(1)～(4)對兩種方案的對比分析后,采用方案一一方面不存在維修加固工藝復(fù)雜、施工質(zhì)量控制難等問題,另一方面能夠確保橋梁結(jié)構(gòu)的承載力、耐久性能夠滿足規(guī)范要求,處治徹底且一勞永逸,最終確定采用方案一。

2.4 改造設(shè)計技術(shù)難點(diǎn)分析

采用先簡支、后連續(xù)結(jié)構(gòu)形式改變了原上部簡支結(jié)構(gòu)形式,跨徑布置維持不變,原墩帽的平面尺寸足以放置組合箱梁的施工臨時支座和永久受力支座,因而對原墩帽不需要作平面尺寸上的改造;組合小箱梁的梁高要大于原T梁跨中截面梁高而小于懸臂梁根部梁高,因通航凈空要求,新上部結(jié)構(gòu)中跨組合小箱梁的梁底與原T梁底面齊平,則橋面豎曲線必須調(diào)整,設(shè)計上可采取同步調(diào)整豎曲線半徑與墩臺帽頂面高程的措施,使整體線形圓順并與橋頭接線順接。

通過上述分析,新上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計跨徑雖然是非常用的標(biāo)準(zhǔn)跨徑,通過技術(shù)處理是合理可行的。改造設(shè)計的技術(shù)難點(diǎn)仍在于確保下部結(jié)構(gòu)受力安全,并確保在上部恒載增加的情況下,原有基礎(chǔ)具有足夠的承載能力,并盡量減小下部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)后期沉降對新建上部連續(xù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加內(nèi)力影響。

由于下部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的準(zhǔn)確埋置位置僅能根據(jù)設(shè)計圖紙確定,施工質(zhì)量也不得而知,如有差異,則給工程帶來安全隱患。鑒于此,改造設(shè)計采取了如下重要措施。

(1)根據(jù)地質(zhì)勘察資料進(jìn)行下部結(jié)構(gòu)承載力理論驗算。

(2)原上部懸臂梁拆除過程中,對下部結(jié)構(gòu)變位進(jìn)行監(jiān)測。

(3)新上部組合小箱梁安裝過程中,對下部結(jié)構(gòu)變位進(jìn)行監(jiān)測。

(4)預(yù)制組合小箱梁安裝完成后,在簡支支承狀態(tài)下對下部結(jié)構(gòu)連續(xù)觀測3d。

(5)待原下部結(jié)構(gòu)變位穩(wěn)定后,進(jìn)行墩頂縱向現(xiàn)澆段、橫隔板、箱梁間濕接縫等連續(xù)部位澆筑施工。

(6)橋面系施工過程和交工后,對下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行變位跟蹤監(jiān)測。

在采取以上措施的基礎(chǔ)上,新橋面瀝青混凝土鋪裝設(shè)計中采用了僅4cm厚的超薄型瀝青鋪裝層新工藝(乳化瀝青+改性瀝青+聚酯玻纖布+聚酯纖維瀝青),盡量減小恒載的增加量。

3 結(jié)構(gòu)、構(gòu)造設(shè)計

3.1 主要技術(shù)指標(biāo)

(1)設(shè)計荷載:汽車荷載為公路-II級。

(2)橋梁寬度:14.5m(行車道)+2×0.5m(防撞護(hù)欄)=15.5m。

(3)橋面橫坡:雙向2%橫坡。

(4)橋面縱坡:雙向3.373%。

(5)地震烈度:抗震設(shè)防烈度為 7°,設(shè)計基本地震加速度為0.1g。

(6)通航凈空:維持原橋通航凈空。

3.2 設(shè)計要點(diǎn)

(1)縱、橫斷面布置。

為了適應(yīng)整條線路目前的通行要求,同時考慮下部結(jié)構(gòu)的充分、安全利用,新橋橋面中心線維持不變,凈寬 14.5m,全寬15.5m。

新橋縱向位于直線和圓曲線內(nèi),變坡點(diǎn)位于中跨跨中,圓曲線R=1600m,T=53.97m,E=0.91m。切線縱坡為雙向 3.373%。橋梁平面位于直線上。橋面橫坡為雙向2%,通過墩、臺帽頂設(shè)變高度墊石及組合箱梁腹板變高度調(diào)整。

(2)橋型布置。

新上部結(jié)構(gòu)跨徑布置為(22+32+22)m,邊跨及中跨采用預(yù)應(yīng)力混凝土組合小箱梁,采用多箱單獨(dú)預(yù)制、簡支安裝、現(xiàn)澆墩頂連續(xù)接頭的先簡支后連續(xù)的結(jié)構(gòu)體系。

邊跨及中跨上部橫向設(shè) 4片小箱梁,梁底寬 1m,中心高度1.64m,梁間中心距 3.9m。因箱梁間距較常規(guī)間距3.4m略大,設(shè)計上將標(biāo)準(zhǔn)圖中翼板厚度由 18cm增加到22cm,同時加強(qiáng)了橫向配筋,以確保橋面板橫向局部受力安全,采用剛接梁法計算主梁的荷載橫向分布系數(shù),重新計算了箱梁的鋼束配置,驗算了施工和使用階段的應(yīng)力狀態(tài)。

對下部原墩帽采取植筋、現(xiàn)澆混凝土方式進(jìn)行加高改造,按照新設(shè)計豎曲線確定加高量值,重新澆筑新?lián)鯄K等。經(jīng)理論驗算,原下部結(jié)構(gòu)墩臺身和基礎(chǔ)的承載力能夠滿足新設(shè)計荷載等級的要求。

4 下部結(jié)構(gòu)變位監(jiān)測

在原上部結(jié)構(gòu)拆除過程中,根據(jù)拆除順序,對原下部結(jié)構(gòu)主墩、橋臺進(jìn)行了如下幾個重點(diǎn)工況的變位監(jiān)測:(1)拆除前;(2)橋面系拆除后;(3)主梁采用浮吊吊離后。

在墩帽處理、新上部結(jié)構(gòu)施工過程中,進(jìn)行了以下幾個工況的監(jiān)測:(1)墩帽加高處理完成后;(2)所有主梁架設(shè)完成后;(3)簡支持荷狀態(tài)3d,6h1次持續(xù)測量;(4)連續(xù)構(gòu)造施工、墩頂負(fù)彎矩鋼束張拉完成后;(5)橋面系施工完成后。

變位監(jiān)測采用精密水準(zhǔn)儀(精度0.01mm)測試豎向沉降,采用全站儀測試(精度 2')墩柱縱向偏位傾角。經(jīng)測試、分析:原上部結(jié)構(gòu)拆除過程中,1#、2#主墩最大豎向反彈量為+0.08mm(向上),最大偏轉(zhuǎn)角為2'(向河岸);新上部結(jié)構(gòu)及橋面系施工過程中,1#、2#主墩最大豎向沉降量為-0.09mm(向下),最大偏轉(zhuǎn)角為2'(向河中);持荷階段的絕對沉降量始終維持-0.08mm,3d中未發(fā)生二次沉降。而橋臺的變位則更小。

變位監(jiān)測結(jié)果表明,即使增加了 30%左右的上、下部恒載,原下部結(jié)構(gòu)彈性沉降依然很小,且基本沒有塑形沉降,基礎(chǔ)的不均勻沉降造成連續(xù)梁的附加內(nèi)力完全在設(shè)計控制范圍內(nèi),具備很好的承載潛力。由于改造前后跨徑比例未變,上部結(jié)構(gòu)的改造也未改變墩身軸心受壓(恒載作用下)的受力性質(zhì),墩柱傾角未發(fā)生變化且量值很小。

經(jīng)以上分析,并結(jié)合原橋荷載試驗檢測情況,改造設(shè)計對原下部結(jié)構(gòu)予以保留利用能夠保證改造后橋梁的正常使用安全。

5 結(jié) 論

對于縣道、農(nóng)村公路上的一些危舊中小跨徑橋梁,在能夠滿足道路通行安全、橋下通航安全等要求的情況下,要尋求既能減少資金投入又能長治久安的改造方案。但在對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行挖潛利用的同時,會不同程度地降低其承載力富余度,而老橋改造影響因素多,因此應(yīng)在結(jié)構(gòu)、構(gòu)造設(shè)計上慎重考慮,并積極地采取現(xiàn)場調(diào)查、施工監(jiān)測等重要措施,以驗證設(shè)計并確保施工、使用安全。通過對該鋼筋混凝土懸臂梁橋的改造設(shè)計研究,得出以下建議,可供今后老橋改造設(shè)計參考。

(1)通過現(xiàn)場調(diào)查、強(qiáng)度檢測以及施工過程中有效的監(jiān)測,解決了改造設(shè)計階段中原下部結(jié)構(gòu)沉降影響這一關(guān)鍵技術(shù)問題。雖然根據(jù)地質(zhì)資料、基礎(chǔ)設(shè)計埋深等能夠在理論上推算基礎(chǔ)沉降量值,但實(shí)際影響因素復(fù)雜,現(xiàn)場監(jiān)測是驗證設(shè)計合理性的最直接有效的手段。

(2)老橋改造特性明顯,設(shè)計方案會受到地域條件、經(jīng)濟(jì)與社會影響等多方面的限制,要在設(shè)計階段綜合加以考慮,并采用多種技術(shù)手段進(jìn)行靈活變通、解決,了解新材料、新工藝并合理采用,如本文中所采取的橋型變通、局部構(gòu)造調(diào)整以及鋪裝層厚度調(diào)整等。

(3)老橋改造方案并不是唯一的,應(yīng)盡量提出多種可選方案并從設(shè)計、施工、交通影響、經(jīng)濟(jì)性等多方面進(jìn)行綜合分析,尋求能夠適應(yīng)多方面限制條件而又經(jīng)濟(jì)、合理的改造方案,選取安全可靠、耐久性好而又便于施工、確保質(zhì)量的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造形式。

[1] 中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范(JTGD62-2004)[M].北京:人民交通出版社,2004.

[2] 中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范(JTGD63-2007)[M].北京:人民交通出版社,2007.

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