某預應力混凝土連續箱梁高架橋搶修加固研究

鄭云鵬 王 輝

（河南信大建設集團有限公司，河南 洛陽 471000）

1 工程概況

某高架橋建于1995 年，全長為 270.04 米，上部結構5×45m 預應力混凝土連續箱梁（第1 跨～第5 跨主橋）+2×20m 預應力混凝土空心板（第6跨和第7 跨引橋）。預應力混凝土連續箱梁采用單箱單室箱梁，箱梁頂板寬12m，底板寬 5.4m，兩側腹板高度不等，傾斜形成單向橫坡，縱軸中心線處箱梁高 3m。下部結構全部采用鉆孔灌注樁基礎（直徑1.5m）；1#和8#橋臺為樁柱式橋臺；2#～5#橋墩采用空心薄壁墩，墩身為雙室空心箱型截面；6#橋墩由原橋橋臺（薄壁式）改造而來，7#橋墩為樁柱式橋墩。主橋預應力混凝土連續箱梁支座采用 TPZ—1 型盆式橡膠支座；引橋預應力混凝土空心板采用GYZD200×35 板式橡膠支座。橋面寬度：0.5m（防撞護欄）+11m（行車道）+0.5m（防撞護欄）。設計荷載：汽車-超 20 級、掛車-120。橋面鋪裝：原設計為8cm 水泥混凝土鋪裝，在2005 年加固后橋面鋪裝為 8cm 水泥混凝土鋪裝+5～6cm 厚瀝青混凝土鋪裝。

2 橋梁病害現狀調查

該高架橋曾于 2005 年進行過一次加固，加固共分兩方面內容：一部分為梁體加固，一部分為橋臺維修。梁體加固主要內容為：①第1 跨至第5跨張拉體外預應力束；②箱梁腹板內側鉚粘鋼板、箱梁腹板外側貼碳纖維；③箱梁腹板內側掛鋼筋網并灌注水泥基灌漿材料增大腹板截面尺寸；④采用封閉法或壓漿法對裂縫進行修補。由于西側橋臺病害嚴重，對西側橋臺進行維修，維修的主要內容為：①西橋臺新增排水及護坡工程；②西橋臺周圍新增 4 根加固基樁；③在承臺、臺身側面植筋、新增部分承臺；④為卸載橋臺后方土壓力，將西側橋臺改成橋墩，并在西側增加了 2 孔 20m 的預應力混凝土空心板橋梁。

目前該橋主要存在以下病害：在2005 年之前橋梁裂縫病害較嚴重，加固后病害得到了有效的治理。在2017 年，加固中處治過的腹板斜向裂縫重新出現，并在2018 年箱梁頂板出現縱向裂縫，2019 年頂板縱向裂縫、腹板豎向裂縫、腹板斜向裂縫、底板橫向裂縫快速增加。其中支座多數存在老化開裂，橋墩也存在較多豎向裂縫及不規則裂縫。通過對該橋進行技術狀況評定，主橋（箱梁橋跨部分）上部結構 4 類，總體4 類；引橋（空心板橋跨部分）上部結構 3 類，總體2 類；該橋全橋技術狀況評定等級為 4 類。根據《公路橋涵養護技術規范》（JTGH11-2004）中3.5.4 條的規定，四類橋需要進行大修或改造，及時進行交通管制，如限載、限速通過，當缺損較嚴重時應關閉交通。

3 搶修維修加固

3.1 搶修加固設計原則及目標

根據該橋現場特點及病害情況制定加固設計方案：①加固后恢復橋梁的承載能力及使用性能，確保安全性能比新橋不降低；②由于本項目為搶險加固工程，需要兼顧施工工期及加固效果，務求在充分保證加固效果的前提下能夠使施工簡便快速；③維修加固設計、施工應嚴格減少對原結構的損傷，設計中充分考慮施工風險，加固方案具有完備性及長期性；④維修加固設計考慮加固后的美觀性，力求加固結構外觀和周邊結構相協調；⑤加固后橋梁技術狀況評定等級恢復到2 類以上標準。

3.2 搶修加固設計內容

（1）對主橋梁板進行維修加固：①主橋跨中處增設永久支墩，使支墩與原橋墩一起承受活載作用。在每跨跨中位置增加一個混凝土永久支墩，其中 1’#、5’#墩采用樁柱式，采用直徑 1.8m 的樁基接 1.6m 的立柱。2’#～4’#墩采用空心薄壁墩，長6m，寬3m，壁厚 0.6m。橋墩承臺長為10.8m，寬為8.2m，承臺厚度3m，承臺下部為6 根直徑為1.6m 的樁基；②主橋跨中處箱梁內增設中橫梁。③支墩新增支座。采用板式橡膠支座，支座型號為GYZF4 D400×56。為了保證新增橋墩在活載作用下與原橋橋墩一起工作，采用可調式支座墊石，調整新增支座與梁板的接觸狀態。為了保證密貼，可采取新支座單點向上頂升梁板的方法，頂升力最大不超過20 噸。④在病害位置粘貼鋼板進行處理。第1 跨小樁號測、第2 跨、第5 跨大樁號側左右腹板外側錨粘鋼板加固，鋼板厚8mm，寬20cm。

（2）對主橋橋面板進行加固：①更換混凝土鋪裝、增大混凝土鋪裝內鋼筋、增設新老混土界面抗剪鋼筋，增強橋面腹板處負彎矩承載力。②橋面板底緣縱橋向間隔 1m 增設HW200×200 型鋼橫梁加固，增強橋面板跨中區正彎矩承載力。

（3）對主橋橋面鋪裝及護欄進行改造：①將原橋混凝土鋪裝層從 8cm（水泥混凝土）+5～6cm（瀝青混凝土）調整為10cm（水泥混凝土）+5cm（瀝青混凝土）。增高的1～2cm 厚鋪裝采用主橋兩側順接的方式進行處理。②原橋護欄不滿足現行規范的要求，在本次搶險工程中將主橋護欄一并進行拆除改造。改造后護欄防撞等級為 SB 級。③對全橋裂縫及混凝土缺陷進行修補。④對0#、1#、2#伸縮縫進行更換。⑤對引橋空心板全部支座進行更換。

3.3 搶修加固施工難點

本工程加固施工難點主要有：①在既有主橋橋下的跨中位置增設支墩，使支墩與原橋墩一起承受活載作用。其中1＇#和5＇#支墩墩身高度分別為13.00m 和22.50m，2＇#～4＇#支墩墩身高度分別為37.50m、42.00m 和41m。與新建橋梁相比，在橋墩施工過程中，垂直運輸受到既有箱梁限制。采用塔吊或吊車等大型機械設備時，由于起重臂和吊鉤尺寸影響，模板和鋼筋等主材均無法到達設計高度。塔吊起重臂和吊鉤總高度約4～6m，汽車起重臂頂部和吊鉤總高度約2～3m。1＇#和5＇#支墩橋下凈空適宜采用吊車，但是受場地和便道限制，無法達到施工現場。②頂部間隙較小、混凝土澆筑和振搗困難。支墩采用可調墊石，墩頂支撐總高度僅26cm。操作空間小，混凝土澆筑和振搗都比較困難。

3.4 難點解決方案

3.4.1 針對2＇#～4＇#薄壁空心支墩

采用翻模施工技術，平頭塔吊垂直運輸，能夠最大限度接近箱梁底部，剩余頂部節段采用汽車吊進行起吊。橋墩頂部預留一個可操作施工節段（1.5～2m），采取人工立模澆筑方式，模板和鋼筋骨架垂直運輸起重機起吊平移完成。薄壁空心墩底部實心段3.5m，頂部實心段2m，上下倒角段均為3m，中間為標準段。通過科學規劃墩身澆筑節段，采取由上向下倒推法劃分墩頂人工立模段、標準翻模段、底部第二節澆筑段和第一節澆筑段。

3.4.2 針對1＇#和5＇#圓柱支墩

采取人工立模澆筑方式，模板和鋼筋骨架垂直運輸由梁底安裝單梁電動葫蘆起重機起吊平移完成。模板和鋼筋骨架通過吊車垂直放置到橋梁側面，地面設置軌道，平移至橋墩位置，然后由單梁電動葫蘆起重機起吊平移完成安裝。

3.4.3 針對頂部混凝土澆筑和振搗

橋墩頂部預留30cm 高度（考慮圓柱墩系梁頂部高度），加支撐總高度26cm 共56cm，能夠保障頂部人工澆筑振搗密實。預留30cm 高度可以增設墊石，或者采用永久鋼模板，灌注自密實混凝土實現免振。

3.4.4 針對可調支座墊石制作和安裝

可調支座墊石由上下斜面鋼塊、鋼墊塊、鋼擋塊和旋緊螺桿組成。根據類似項目經驗和資料調查，鋼塊均采用20Cr 鋼鍛壓精加工，螺桿采用45＃鋼調質（6.8 級以上）加工制作，規格為M40×3，在旋動側加工出與M33 扭力扳手配套的外六方形。需要通過建立有限元模型，模擬可調支座墊石的工作狀態、安裝后的受力情況，計算鋼構件的節點應力來調整設計尺寸。可調支座墊石尺寸經設計確定后，由專業廠家生產制作。

4 加固效果分析評價

4.1 增設永久支墩前后結果比較

4.1.1 抗彎極限承載能力比較

表1 抗彎極限承載能力比較表

4.1.2 正截面抗裂能力比較

表2 正截面頂緣抗裂能力比較表

表3 正截面底緣抗裂能力比較表

4.1.3 斜截面抗裂能力比較

表4 斜截面底緣抗裂能力比較表

從表1～表4 比較結果可知，采取增設永久支墩加固措施后，主梁的抗彎極限承載能力、抗剪極限承載能力、正截面頂底緣抗裂能力、斜截面底緣抗裂能力、正截面壓應力能力均在一定程度上改善，說明增設永久支墩后對結果受力改善較大，效果較好。

4.2 橋面板加固前后結果比較

（1）更換混凝土鋪裝、增大混凝土鋪裝內部鋼筋、增設新老混凝土界面抗剪鋼筋、增強橋面腹板處負彎矩承載力。將原橋混凝土鋪裝層從8cm（水泥混凝土）+6cm（瀝青混凝土）調整為10cm（水泥混凝土）+5cm（瀝青混凝土）。

（2）橋面板跨中區底緣每1m 增設型鋼及相應抗剪連接件，增強橋面板跨中區域正彎矩承載力。當考慮橋面鋪裝與頂板共同受力后計算結果如表7～表8 所示。

表7 加固后跨中抗彎極限承載能力計算結果

表8 加固后跨中裂縫驗算結果

從表7～表8 比較結果可知，加固完畢后，橋面板的承載能力滿足要求，富裕度125%，裂縫寬度也小于限值。

5 結論

本文以一座（5×45）m 預應力混凝土連續箱梁搶修加固為工程實例，研究結果表明：通過采取增設永久支墩加固措施后，主梁的抗彎極限承載能力、抗剪極限承載能力、正截面頂底緣抗裂能力、斜截面底緣抗裂能力、正截面壓應力能力均在一定程度上改善，說明增設永久支墩后對結果受力改善較大，效果較好。同時通過對橋面板跨中區底緣每1m 增設型鋼及相應抗剪連接件，加固完畢后，橋面板的承載能力滿足要求，富裕度125%，裂縫寬度也小于規范限值。