牡丹江大橋加固設計

王兆銘

（同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司，上海市200092）

0 引言

20世紀50年代，隨著“預應力學說”理論體系的完善，預應力混凝土橋梁得到了飛速的發展[1]。預應力T梁具有工廠模具化預制生產、現場架設拼裝的特點，得到了廣泛的應用，始建于1982年的牡丹江大橋是其中的典型代表之一。

在我國橋梁建設取得重大成就的同時，由于設計標準提高、車輛超載等原因，部分已建橋梁存在著不同程度的安全隱患和病害，需要有針對性地進行加固處理[4]。經過三十多年的運營，牡丹江大橋已經不能適應城市建設發展的需求，大橋的拓寬改造已經顯得尤為必要。在對牡丹江大橋改造利用的同時，需要對原結構體系進行加固設計，以確保改造后的大橋能適應新的承載能力需求。

1 總體介紹說明

1.1 工程背景

牡丹江大橋始建于1982年5月，于1984年9月建成通車（見圖1）。該橋為一座偏南北走向的13跨預應力混凝土簡支T梁橋，橋梁法線與河道中心線正交，橋梁全長541.51 m，跨徑組合為13×40.0 m。

圖1 牡丹江大橋改造前之實景

全橋橋面總寬為20.8 m，橋寬布置為：0.4 m欄桿基座+2.5 m人行道+15 m車行道+2.5 m人行道+0.4 m欄桿基座。橋面鋪裝采用厚0.04～0.08 m混凝土墊層+0.01 m防水層+0.04 m混凝土保護層+0.05 m瀝青混凝土層，墩臺處均設型鋼伸縮裝置，兩側人行道外側采用高為1.1 m的鋼筋混凝土+鋼管柵式欄桿（見圖2）。

圖2 老橋支點處斷面圖（單位：m）

該橋每跨上部結構均由8榀預應力混凝土T梁組成，梁高均為2.4 m。梁間中心距為2.4 m，相鄰T梁間采用0.6 m寬的現澆濕接帶。每跨主梁間均設7道橫隔梁，相鄰兩橫隔梁間中心距為6.48 m。主梁采用450號混凝土，接近于新規范C43混凝土的材料力學性能。

牡丹江老橋設計荷載等級為汽車-20級、掛車-100，人群荷載為3.5 kN/m2，兩端橋頭設20t限載標志牌。

牡丹江大橋是連接江南、江北的交通要道，目前交通十分擁堵，為緩解老橋的交通壓力，對該橋進行拓寬改造。拓寬改造時，將舊橋兩側人行道拆除，改建后舊橋橋面寬度為20 m，拓寬新建橋梁寬度為21.48 m，新舊橋上部結構之間設置2 cm寬的沉降縫。拓寬新建橋梁的結構設計安全等級為Ⅰ級，設計荷載為城-A級。改造后橋寬布置為（從舊橋側向新橋側）：0.59 m欄桿基座+2.31 m人行道+3.0 m非機動車道+0.35 m防撞護欄+14.0 m機動車道+0.5 m防撞護欄+14.0 m機動車道+0.35 m防撞護欄+3.5 m非機動車道+2.31 m人行道+0.59 m欄桿基座=41.5 m（見圖3）。由于老橋需改造為單向坡度橋梁，為了控制上部結構鋪裝荷載，老橋改造后采用0.65%的單向橫坡，老橋橋面采用厚0.08～0.19 m鋼筋混凝土層+0.1 m瀝青混凝土。

圖3 改造后新老橋支點斷面圖（單位：m）

1.2 老橋主要病害

老橋橋面系鋪裝層有坑槽、縱橫向裂縫及網裂；伸縮縫堵塞、止水帶均老化、開裂；人行道路緣石和欄桿基座混凝土破損、露骨嚴重，飾面砂漿剝落、破損，存在縱橫向收縮裂縫。

上部結構預應力混凝土T梁部分有泛白、泛堿現象，部分混凝土破損、露筋銹蝕。

老橋部分支座鋼盆銹蝕。下部結構部分墩臺滲水泛白，部分蓋梁混凝土起殼、剝落，鋼筋外露銹蝕，破冰鐵板銹蝕。

經檢測，老橋技術狀況總體評定為B級橋（良好狀態）。

1.3 加固設計主要原則

原大橋設計荷載等級為汽車-20級、掛車-100，人群荷載為3.5 kN/m2，荷載等級較低。通過梁格計算模型計算分析，原設計安全儲備較小，通過體外預應力鋼束等加固手段無法將結構提高到新規范城-A的標準。綜合該橋加固方案研討會專家組的意見，以及考慮運營管養方便，按現行規范對老橋加固進行驗算。其主要構件安全度應盡量滿足城-B荷載的要求。

1.4 主要的加固方法[2-3]

目前主流的加固方法主要有以下幾種：（1）增大截面加固法；（2）粘貼鋼板加固法；（3）粘貼纖維復合材料加固法；（4）體外預應力加固法；（5）改變結構體系加固法。

體外預應力加固法是在梁體的外部（或箱內）布置預應力鋼束，通過張拉體外預應力產生反彎矩抵消部分外荷載產生的內力，達到改善梁體承載能力的目的。該方法是目前主流的加固方法之一，特別適用于大跨徑預應力混凝土連續梁和簡支T梁的加固。

1.5 Midas有限元模型

大橋空間梁格有限元模型如圖4所示，全橋共8片T梁，T梁編號如下：1#（新老橋中央隔離墩側）～8#（老橋人行道側）（T梁編號詳見圖 3）。各片T梁除了按真實橫隔板進行橫向聯系外，同時考慮橋面板、濕接縫的橫向聯系，在全橋范圍內增設橫向虛擬聯系梁，模型按真實支座剛度模擬邊界條件。

圖4 全橋空間midas有限元分析模型

2 牡丹江大橋加固方案[4]

2.1 加固方案綜述

根據老橋檢測結果及大橋拓寬改造需求，老橋加固維修措施分述如下。

2.1.1 橋面系

鑿除全橋橋面鋪裝、兩側欄桿和人行道，重新鋪筑橋面鋪裝，橫坡設為單向坡，坡度為0.65%。改造后的舊橋橋面采用厚0.08～0.19 m鋼筋混凝土層+0.1 m瀝青混凝土。為保證橋面鋪裝與T梁工作的整體性，在T梁腹板和橫隔梁上種植結合面鋼筋，縱橫交錯布置。新舊橋在縱向接縫處設置縱向伸縮縫，且在相接的舊橋翼板底面增設不銹鋼板滴水槽。

在橋梁西側現澆人行道，并新設花崗巖欄桿，重新對人行道磚面進行鋪砌。

2.1.2 主梁體外預應力鋼束加固

對每跨 1#、5#、6#、7#、8#T 梁（全橋共計 65片T梁）進行體外預應力加固，每片T梁張拉2束3-s15.2預應力鋼絞線，其控制應力為1 209 MPa。

2.1.3 耐久性修補

對全橋兩側邊梁與中梁間翼緣、T梁腹板和濕接帶、人行道下方懸臂板底面泛白、泛堿處，刷洗干凈后，涂刷兩遍水泥基滲透結晶型漿料進行耐久性防護。

對全橋局部鋼筋銹脹、混凝土破損處，先鑿除銹脹和破損處疏松的混凝土，對鋼筋徹底除銹并清理干凈后，采用聚合物修補砂漿予以修復。

2.2 橋面系鋪裝層改造加固

綜合大橋拓寬改造需求，老橋橋面鋪裝需鑿除改造為單向橫坡橋梁；綜合考慮上部T梁結構受力，改造后的坡度為0.65%。改造后舊橋橋面采用厚0.08～0.19 m鋼筋混凝土層+0.1 m瀝青混凝土。由于改造后鋼筋混凝土調平層厚度較厚，該方案設計時，考慮通過植筋手段增強鋪裝層與T梁連接的可靠性，使得部分混凝土調平層的剛度可以參與上部結構整體受力（見圖5）。調平層對結構受力的貢獻，該設計作為安全儲備，結構計算不予考慮。

圖5 通過植筋加強鋪裝層與T梁的聯系之示意圖及其實景

2.3 T梁體外預應力加固設計

通過計算分析得知，只有部分T梁需要進行體外預應力加固。同時為了避免體外預應力反彎效應造成的結構頂緣開裂，該設計考慮在施工橋面鋪裝層后再張拉體外預應力鋼束。

經過計算，對每跨 1#、5#、6#、7#、8#T 梁進行體外預應力加固（每片T梁張拉2束3-φs15.2預應力鋼絞線），對每跨2#、3#、4#T梁進行耐久性修補（見圖 6～圖 8）。

圖6 T梁體外預應力鋼束布置圖（單位：mm）

圖7 中梁體外預應力鋼束轉向裝置設計圖（單位：mm）

圖8 體外預應力鋼束錨固構造設計圖（單位：mm）

體外預應力鋼束基本沿T梁下緣直線布設，在距離分跨線約7 m位置的橫梁處設置預應力轉向塊（見圖9）。預應力轉向角度以適合預應力錨固空間需求即可，盡可能減小轉向角度，避免過大轉向角度對結構造成的不利影響。體外預應力在距離梁段1.7m位置處進行錨固，通過抗剪螺栓和鋼板來確保預應力鋼束的錨固性能。預應力鋼束張拉控制應力為1 209 MPa，單根鋼絞線的張拉控制力為168.05 kN。

圖9 張拉體外預應力鋼束之實景

2.4 老橋加固后結構受力性能

老橋已經運營三十多年，結合老橋的檢測結果，該設計通過midas空間梁格計算模型，按實際施工順序進行了精細化計算分析，模擬了結構各階段的受力狀態，主要技術指標如表1所列。

從計算結果可以看出，老橋加固后主要的技術指標均可以滿足新規范城-B的要求[5]。結構主拉應力、主壓應力、結構抗力等計算結果也滿足新規范城-B的要求，限于篇幅，計算結果不再一一羅列。

牡丹江大橋經過改造加固，于2016年8月15建成通車（見圖10）。

表1 加固后老橋主要應力指標表 MPa

圖10 牡丹江大橋改造后之實景

3 結語

隨著荷載等級的提高、城市建設的迅猛發展，加上橋梁本身運營多年出現的病害，橋梁結構安全受到了嚴重威脅。本文以牡丹江大橋為載體，介紹了其在改造拓寬過程中的加固方法。其中，部分設計思路可供類似工程借鑒：

（1）對于較厚的混凝土鋪裝調平層，可以通過植筋等手段將老橋T梁與新鋪裝有機結合，從而增加結構剛度，增強結構安全儲備，提高結構強健性。

（2）對T梁進行體外預應力加固方案研究時，宜通過空間精細化計算分析，研究和發現不同部位對增設體外束的敏感性和必要性，應對不同部位采取不同的加固方法。