基于超載車輛作用的吉林臺大橋使用性能評價及改造方案

程宇飛

(新疆交通規劃勘察設計研究院 烏魯木齊市 830006)

1 工程概況

吉林臺大橋于省道S315線K147+955處設置1-60m裝配式預制箱形拱橫跨喀什河(如圖1所示)，跨河處為“U”形河谷地貌，橋面距離河床底最深處約24m。老橋上部結構采用預制鋼筋混凝土箱型拱；下部結構為U形橋臺，基礎置于微風化基巖內。橋址處地層巖性由砂巖、礫巖組成，地表為不同厚度第四系沖洪積礫石土層覆蓋，地基承載力特征值為2500～4000kPa。

吉林臺大橋按照75版公路橋涵設計規范設計，設計方法采用容許應力法，設計荷載等級為汽車-20級、掛車-100，施工圖采用1983年交通運輸部主持編制的《纜索吊裝箱形拱橋標準圖》(JT/GQB 047-83)，橋梁全長94.1m，橋面寬度為1.0m×2(人行道)+3.5m×2(行車道)+0.25m×2(欄桿)。老橋拱圈由5片預制拱箱組成，箱肋高130cm，頂、底板厚10cm，中腹板厚5cm，邊腹板厚10cm。箱肋采用30號混凝土，Ⅱ級鋼筋，直徑12mm，間距15cm，如圖1所示。

圖1 主拱圈橫斷面圖(單位：cm)

2 2015年老橋技術狀況評定

2.1 吉林臺大橋現場檢測評價

(1)橋梁技術狀況評分為77.8，技術等級評定為三類橋。

(2)大橋1階固有頻率5.36Hz，理論頻率4.28Hz，動載增大系數1.13，結構整體性較好。

(3)靜載試驗控制截面撓度為0.42～0.84mm，校驗系數0.292～0.499，結構整體滿足要求；殘余變形為0.026～0.051mm，最大相對殘余12%，結構滿足彈性工作狀況要求；拱頂、1/4、拱腳截面應變測點效驗系數介于0.500～0.889之間，如圖2、圖3所示。橋梁承載力滿足汽車-20級、掛車-100設計荷載要求。

圖2 拱腳最大水平推力影響線

圖3 1/4截面最大應力影響線

2.2 橋梁結構驗算分析

(1)主拱圈正截面抗彎驗算。按照《橋規》γ0S≤R，R=R(fd，αd)(即結構重要性系數×作用效應組合設計最大值<構件承載力設計值)進行驗算。如圖4、圖5所示。

圖4 結構計算內力圖

圖5 結構計算應力圖

(2)控制截面抗彎承載力驗算。跨中截面作用基本組合值1286 kN·m<結構承載力設計值3217 kN·m；拱腳截面作用基本組合值3719 kN·m<結構承載力設計值3826 kN·m。

(3)控制截面抗剪承載力驗算。四分之一截面作用基本組合值364 kN<結構承載力設計值1970 kN；拱腳截面作用基本組合值1667 kN<結構承載力設計值2142 kN。

(4)拱圈控制截面最大裂縫寬度δmax=0.19mm<允許裂縫寬度δ值[0.20mm]。

2015年有限元結構驗算表明：老橋承載力能夠滿足原設計汽車-20級、掛車-100設計荷載等級要求，依據《公路工程技術標準》(JTJ B01-2014)6.0.10條“對直接利用的原有橋涵，應進行檢測評估并滿足原設計荷載標準要求”，故原設計提出在不提高公路功能的前提下，吉林臺老橋限速40km/h、限重20t，對既有病害進行維修加固并提出針對性運營管理和維護措施后予以完全利用。

3 超重、超限車輛作用分析

2017年下半年以來，區域持續降雨，區內相鄰數條公路因存在滑坡、水毀等安全隱患封閉交通，導致區內布拉克工業園、伊力特煤化工、伊犁鋼鐵等企業運送水泥、礦石和土石方的車輛全部轉移至S315蜂場至尼勒克施工路段，超限超載車輛日均為120～160veh/d，載質量130t以上，部分車輛達180～200t，特重、極重交通較平時增加68%。鑒于大橋運營安全考慮，2019年再次對吉林臺大橋進行了外觀檢測和現場動靜荷載試驗。

3.1 2019年現場檢測評價

表1 兩次外觀檢測結果對比分析

(1)2019年吉林臺大橋外觀主要檢測結果如表1所示，橋梁技術狀況評分49.8分，老橋技術等級評定為四類橋。

(2)靜載試驗作用下，撓度值校驗系數η在1.01～1.36之間，結構整體剛度不足，相對殘余變形介于24.93%～30.03%之間，結構彈性狀況差。

(3)實測橋跨結構自振頻率3.74Hz，理論自振頻率4.26Hz。有障礙行車實測動載增量40%，無障礙行車實測動載效應增大系數1.37。表明吉林老橋實際剛度降低，整體抵抗沖擊能力減弱。

3.2 橋梁結構驗算分析

(1)控制截面抗彎承載力驗算。跨中截面作用基本組合值6948 kN·m>結構承載力設計值3217kN·m；拱腳截面作用基本組合值7358 kN·m>結構承載力設計值3826 kN·m。

(2)控制截面抗剪承載力驗算。四分之一截面作用基本組合值3464 kN>結構承載力設計值1970 kN；拱腳截面作用基本組合值2767 kN>結構承載力設計值2222 kN。

(3)拱圈控制截面最大裂縫寬度δmax=0.54mm<允許裂縫寬度δ值[0.20mm]。

綜上所述，吉林臺大橋受當時經濟、技術條件制約，存在構件技術指標偏低、抗沖擊能力取值偏小、截面偏心彎矩增大系數考慮不充分等問題，承載能力先天儲備不足[1]。特定情況下在特重、極重交通荷載的集中作用下，各控制截面承載能力效應值已不能滿足汽車-20、掛車-100荷載等級要求，整體剛度降低，彈性狀況衰減、結構疲勞效應加劇[2]、構造性裂縫發展迅速，大橋處于非安全狀態。原設計維修加固方案已欠可行，需另行考慮整治改造對策。

4 大橋整治改造方案

通過上述檢測、評定和研究分析，針對目前老橋使用狀況，提出以下2個整治改造方案。

4.1 方案1—增大老橋主拱圈截面

主要工序為拆除橋面系、腹拱和橫墻等拱上結構，搭設臨時施工便橋，對裸拱既有各類裂縫采用環氧砂漿予以封閉后對拱肋底板舊混凝土鑿毛，在既有拱圈濕接縫處鉆孔穿入鋼筋與拱肋下方同步布置的主鋼筋焊接形成骨架后澆筑新增拱肋進行加寬和加高處理[3]，同時對拱腳截面也做形影的加大截面處理，如圖6所示。以提高其承載力和整體剛度。方案1造價915萬元。

圖6 增加拱肋截面橫斷面示意圖(單位：cm)

該方案無需二次征地，施工可最大限度利用既有老橋；但既有吉林臺老橋箱拱底板厚10cm、腹板厚僅5cm，頂、底板處植筋質量難以保證，施工過程中易發生混凝土劈裂；其次，施工采用“少支架”工法，即在拱腳以下部分采用大直徑鋼管樁，用貝雷梁做承重結構；拱腳以上采用鋼管腳手架做滿堂支架。但橋址處水流湍急流速急、河床起伏大，鋼管樁沉入困難，存在汛期施工難度大，施工周期長，安全隱患突出、運營期管理養護困難以及受區域重載交通影響，短時間內可能面臨二次加固等問題。

4.2 方案2—局部改移線位新建橋梁

鑒于老橋加固方案缺陷及加固后僅能恢復老橋既有橋面寬度等問題，提出充分利用既有老橋與距吉林臺大橋跨越喀什河橋址處上游300m為吉林臺二級電站泄洪閘門，水流平均流速5.88m/s，河床最大水深10～12m，且每年6月至9月的最佳施工期也是喀什河汛期和下游農田灌溉期。鑒于橋梁周邊道路施工期間不具備繞行分流條件，方案2提出對老橋進行病害處理后作為施工期通車便橋，在現有老橋上游新建大橋，河床中墩結合上游渡槽橋墩避開急流深水區。新建橋梁采用公路Ⅰ級設計，橋寬采用二級公路標準值12m，上部結構采用40m裝配式預應力混凝土小箱梁，下部結構采用重力式U型橋臺、樁柱式墩，單排樁基礎。

圖7 老橋上游新建40m箱梁方案示意圖

方案2通過局部改移線位合理避讓了吉林臺電站場坪設施，優化了大橋前后路段平縱線形，一次性解決了橋寬不足的瓶頸隱患，消除了道路黑點，車輛行駛安全性得以較大提高，施工階段及運營期可利用下游老橋作為施工和社會中、小型車輛、人行和非機動車的應急救援備用橋梁，該方案造價1002萬元，略高于方案1，但社會經濟效益優勢明顯，社會負面影響最小。

經對上述兩個整治改造方案經濟技術綜合比選，確定保留老橋，于老橋上游新建40m裝配式組合小箱梁的方案，吉林臺大橋已于2019年9月建成，使用情況良好，社會評價優。

5 結語

通過吉林臺大橋工程實踐，對Midas Civil有限元理論計算成果和現場荷載試驗檢測結論進行有機結合，針對橋梁實際使用性能和力學特征予以客觀評價，按照在不過多增加工程費用的基礎上，對原有工程予以最大程度的利用原則，吉林臺大橋在整治改造方案選擇上充分考慮老橋維修加固在前期經濟、社會面比較均不占優勢且后期運營養護階段存在諸多風險的前提下，選擇保留老橋、移位新建，從根本上解決通行瓶頸問題和消除既有道路黑點隱患無疑是合適的。