舊鋼筋混凝土懸臂梁橋改造設計研究

許明娟,李 萍,童 浩

(1.江蘇永瀚工程咨詢有限公司;2.江蘇南京市江寧區建設工程局;3.東南大學交通學院)

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、擴大基礎,0#臺為實體臺身、擴大基礎,3#臺為埋置式樁基礎。

該橋已建成運營 13年,由于交通流量的日益增加,橋梁負荷加重,T梁之間的部分橫隔板鋼板聯接構造損壞、施工質量較差,原橋面混凝土鋪裝磨損、開裂嚴重,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,牛腿出現剪切斜裂縫。對該橋進行的靜、動載試驗表明,縱向裂縫降低了上部結構的整體工作性能,并一定程度上導致單梁受力,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,上部結構的實際工作性能已不能滿足汽 -20、掛 -100下正常使用極限狀態的承載力要求,但下部結構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。

該橋處于規劃六級航道上,所處縣道交通流量大、重載車輛多,對經濟、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,不能安全承擔交通分流壓力。因此改造方案力求安全、適用、經濟且最大程度地減小施工對交通的影響。雖然橋梁規模不是很大,但橋梁處于縣道、跨越航道的公路橋梁性質必須對改造方案設計進行比較全面的考慮。

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構,進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濟、合理的方案。

在對該橋進行了現場調查并認真研究了檢測報告后,初步提出了全橋拆除重建、上部結構拆除重建利用下部結構以及維修加固三種方案進行對比分析。從改造后的橋梁結構性能、施工造成的交通、通航影響、改造費用、施工工期及工藝等方面進行了研究。

現場調查、強度檢測以及荷載試驗報告結論均表明,該橋下部結構,墩柱無病害且沖刷病害不明顯,混凝土強度能夠達到C30設計等級,荷載試驗中未發生塑性沉降。該橋原下部 0#臺、1#和 2#墩均采用擴大基礎,3#臺采用鉆孔灌注樁基礎,按摩擦樁設計,地質條件變化較大。擴大基礎持力層均位于淺層強風化砂巖,鉆孔灌注樁基礎位于中風化砂巖。持力層物理力學性能較好。

這些結論和數據、勘測資料為保留利用下部結構的初步決策提供了重要依據。因此在初步提出的三種改造方案中,優先考慮保留利用原下部結構的上部結構拆除重建方案、全橋維修加固方案。方案對比分析如下。

2.1 方案一:拆除上部結構、保留利用下部結構

對上部結構進行拆除重建,通航凈空維持與原橋一致。對主梁結構形式重新進行設計,跨徑布置仍維持(22+32+ 22)m。

由于中跨 32m跨徑已經超出了常用的先張法、后張法預應力空心板梁的常用跨徑,本方案對預制裝配式預應力T梁、現澆鋼筋混凝土或預應力連續梁以及預制裝配式先簡支后轉結構連續組合小箱梁進行了對比。對于采用預應力T梁,難以做成連續梁結構,且現有墩、臺帽尺寸無法滿足多跨簡支梁支座擺放要求;對于現澆連續梁,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,支架費用較高。

經過構造和結構受力、施工條件等方面的比較,最終決定采用預制裝配式先簡支后轉結構連續組合小箱梁形式, (22∶32∶22)的跨徑比例關系采用連續梁結構也較為合理,原墩、臺帽經適當加高改造可以滿足設計需要,施工不會對通航造成直接影響。

2.2 方案二:上部結構維修加固

由于橋面縱向裂縫的存在以及原橫向聯系構造的設計、施工缺陷,已經造成了單梁受力的情況。原設計T梁翼緣板之間沒有直接的鋼筋聯結,而原較薄的橋面混凝土鋪裝層經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梁之間的橫向聯結性能,才能改善主梁受力狀態、提高整體剛度;同時對主梁進行加固補強,使承載力得以滿足新設計荷載等級的需要。

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橫向聯系;(4)對懸臂梁根部支點、主梁跨中、掛梁牛腿等關鍵受力部位采用粘貼鋼板法補強;(5)重新澆筑加厚的橋面混凝土鋪裝,配置鋼筋網。

根據現場調查情況,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)結構安全性與耐久性。

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

②方案一在拆除原上部結構后進行重新設計,采用預制裝配式組合小箱梁,設計方法和施工工藝成熟,新上部結構完全能夠滿足結構安全性、耐久性要求。新上部結構和蓋梁加高改造自重較原有結構增加 30%左右,增加了原下部結構負荷,設計上必須確定原下部結構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,將上部結構全部拆除,新梁的預制安裝、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、表面處理等施工質量控制要求高,工藝復雜且施工技術水平要求較高,需要大量輔助施工工藝和設備。方案二雖然工藝也較為成熟,但施工質量的監督、評價目前還未有詳細規范可依,加固部位原結構、新增片材、膠結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。

方案一施工主要經歷橋面系拆除、吊梁、新梁預制、架梁、濕接縫現澆、橋面鋪裝澆筑與攤鋪等工序,新梁預制與其他工序可同步進行,以加快施工進度;方案二主要經歷橋面系拆除、T梁加固、橋面板與橫隔板橫向聯系加強、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。

方案一總費用主要考慮主梁預制安裝、上部結構拆除、橋面系施工、設計、交通與航道管制、監理、建設管理等費用,預估投資 510萬元;方案二總費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、主梁補強與橫向聯系加固、設計、交通與航道管制、監理、建設管理等費用,預估投資330萬元。方案二由于保留利用了原主梁,綜合費用相對較低,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雜、施工質量控制難等問題,另一方面能夠確保橋梁結構的承載力、耐久性能夠滿足規范要求,處治徹底且一勞永逸,最終確定采用方案一。

2.4 改造設計技術難點分析

采用先簡支、后連續結構形式改變了原上部簡支結構形式,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,新上部結構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整,設計上可采取同步調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,新上部結構的設計跨徑雖然是非常用的標準跨徑,通過技術處理是合理可行的。改造設計的技術難點仍在于確保下部結構受力安全,并確保在上部恒載增加的情況下,原有基礎具有足夠的承載能力,并盡量減小下部結構基礎后期沉降對新建上部連續結構產生的附加內力影響。

由于下部結構基礎的準確埋置位置僅能根據設計圖紙確定,施工質量也不得而知,如有差異,則給工程帶來安全隱患。鑒于此,改造設計采取了如下重要措施。

(1)根據地質勘察資料進行下部結構承載力理論驗算。

(2)原上部懸臂梁拆除過程中,對下部結構變位進行監測。

(3)新上部組合小箱梁安裝過程中,對下部結構變位進行監測。

(4)預制組合小箱梁安裝完成后,在簡支支承狀態下對下部結構連續觀測3d。

(5)待原下部結構變位穩定后,進行墩頂縱向現澆段、橫隔板、箱梁間濕接縫等連續部位澆筑施工。

(6)橋面系施工過程和交工后,對下部結構進行變位跟蹤監測。

在采取以上措施的基礎上,新橋面瀝青混凝土鋪裝設計中采用了僅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 結構、構造設計

3.1 主要技術指標

(1)設計荷載: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:抗震設防烈度為 7°,設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 設計要點

(1)縱、橫斷面布置。

為了適應整條線路目前的通行要求,同時考慮下部結構的充分、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,變坡點位于中跨跨中,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、臺帽頂設變高度墊石及組合箱梁腹板變高度調整。

(2)橋型布置。

新上部結構跨徑布置為(22+32+22)m,邊跨及中跨采用預應力混凝土組合小箱梁,采用多箱單獨預制、簡支安裝、現澆墩頂連續接頭的先簡支后連續的結構體系。

邊跨及中跨上部橫向設 4片小箱梁,梁底寬 1m,中心高度1.64m,梁間中心距 3.9m。因箱梁間距較常規間距3.4m略大,設計上將標準圖中翼板厚度由 18cm增加到22cm,同時加強了橫向配筋,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,重新計算了箱梁的鋼束配置,驗算了施工和使用階段的應力狀態。

對下部原墩帽采取植筋、現澆混凝土方式進行加高改造,按照新設計豎曲線確定加高量值,重新澆筑新擋塊等。經理論驗算,原下部結構墩臺身和基礎的承載力能夠滿足新設計荷載等級的要求。

4 下部結構變位監測

在原上部結構拆除過程中,根據拆除順序,對原下部結構主墩、橋臺進行了如下幾個重點工況的變位監測:(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、新上部結構施工過程中,進行了以下幾個工況的監測:(1)墩帽加高處理完成后;(2)所有主梁架設完成后;(3)簡支持荷狀態3d,6h1次持續測量;(4)連續構造施工、墩頂負彎矩鋼束張拉完成后;(5)橋面系施工完成后。

變位監測采用精密水準儀(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。經測試、分析:原上部結構拆除過程中,1#、2#主墩最大豎向反彈量為+0.08mm(向上),最大偏轉角為2'(向河岸);新上部結構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中未發生二次沉降。而橋臺的變位則更小。

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

經以上分析,并結合原橋荷載試驗檢測情況,改造設計對原下部結構予以保留利用能夠保證改造后橋梁的正常使用安全。

5 結 論

對于縣道、農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。但在對原結構進行挖潛利用的同時,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,因此應在結構、構造設計上慎重考慮,并積極地采取現場調查、施工監測等重要措施,以驗證設計并確保施工、使用安全。通過對該鋼筋混凝土懸臂梁橋的改造設計研究,得出以下建議,可供今后老橋改造設計參考。

(1)通過現場調查、強度檢測以及施工過程中有效的監測,解決了改造設計階段中原下部結構沉降影響這一關鍵技術問題。雖然根據地質資料、基礎設計埋深等能夠在理論上推算基礎沉降量值,但實際影響因素復雜,現場監測是驗證設計合理性的最直接有效的手段。

(2)老橋改造特性明顯,設計方案會受到地域條件、經濟與社會影響等多方面的限制,要在設計階段綜合加以考慮,并采用多種技術手段進行靈活變通、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、局部構造調整以及鋪裝層厚度調整等。

(3)老橋改造方案并不是唯一的,應盡量提出多種可選方案并從設計、施工、交通影響、經濟性等多方面進行綜合分析,尋求能夠適應多方面限制條件而又經濟、合理的改造方案,選取安全可靠、耐久性好而又便于施工、確保質量的結構與構造形式。

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