金山大橋局部拆除后續運營期性能和實測分析

姚 青

[上海城建市政工程（集團）有限公司，上海市 200065]

0 引言

平申線航道（上海段）規劃航道等級為Ⅳ級，建成于1990 年的金山大橋因不滿足Ⅳ級航道通航要求，需拆除重建。新橋分幅設計，在滿足保通需求下首先施工北幅新橋，同時維持舊橋交通。待北幅新橋建成后拆除舊橋，最后建設南幅新橋。舊橋寬22.5 m，新橋寬2×18.25 m+3.15 m，平面上北幅新橋與舊橋重疊0.5～2.5 m，立面上新橋大部分高于舊橋。所以新橋上部結構架設與舊橋基本不沖突，但主橋橋墩蓋梁與舊橋箱梁懸臂沖突，舊橋翼緣需要提前局部拆除，且部分拆除后的舊橋仍需承擔一年多的續運營期。

橋梁拆除施工是一項非常復雜的工程，具有高風險、高技術、高難度的特征[1-3]。舊橋經過多年的運營和維修加固，其強度、剛度、穩定性都有不同程度的下降，在部分切割后結構受力變得更為復雜，橋梁續運營期的安全風險顯著提高。國內采用切割法分段分塊拆除橋梁已有非常多的工程應用和經驗積累[4-6]，但是舊橋全部拆除之前實施部分切割拆除而后繼續承載運營的工程實例較為罕見。本文對金山大橋部分拆除后的續運營期性能進行了監測和分析，為今后類似工程提供工程借鑒。

1 工程概況

金山大橋主橋為三跨預應力混凝土連續箱梁，跨徑組成為（43.4+66+43.4）m=152.8 m，采用懸臂澆筑法施工。主橋上部結構采用分離式雙箱單室結構，箱梁混凝土設計標號為C40。中墩處梁高4.0 m，頂板全寬22.5 m，兩箱相距3 m。箱梁縱向預應力鋼束采用24Φ5S 碳素鋼絲，鋼絲標準強度1 600 MPa，張拉控制應力1 200 MPa，全橋共張拉718 束，采用45 號優質鋼錐型錨具錨固。箱梁未設橫向預應力。

由于梁體出現大量裂縫，特別是腹板裂縫，幾乎遍布全橋，在2009 年的定期檢查中被評定為4 類橋梁，混凝土取芯結果為C30。2010 年5 月進行加固維修，主要措施有：

（1）對不小于0.10 mm 裂縫進行壓漿封閉，對0.10 mm 以下裂縫進行表面封閉。

（2）剪力控制區域的腹板加厚15～20 cm，同時增設豎向預應力鋼筋，間距50 cm，采用直徑25 mm 的精軋螺紋鋼筋，增強主梁腹板抗剪性能。

（3）箱梁外側底部和側面粘貼碳纖維布，抑制混凝土裂縫的擴展并提高抗拉性能。

因新建橋主橋橋墩蓋梁與舊橋箱梁懸臂沖突。基于新舊橋位置關系（見圖1），依據設計建議采用翼緣局部切割法[7-8]拆除進行舊橋改造，分別于兩個沖突位置對翼緣進行切割拆除（見圖2）。翼緣切割長度5 m，切割深度2.75 m，最多共有7 束翼緣預應力鋼束被拆除。作為局部縱向補強，在局部切割后，同時采用高度500 mm 的箱型鋼梁與舊橋箱梁連接。

圖1 新舊橋主橋處斷面位置關系（單位：mm）

圖2 切割平面位置（單位：m）

2 續運營期結構性能分析

2.1 計算模型

考慮到結構分析的目的和成本，對金山大橋的切割建模，考慮圣淮南原理，在3 倍切割區域范圍內，采用組合雙梁模型進行建模分析。同時通過加密節點的方式，形成連續約束雙梁模型（見圖3），盡可能消除梁間的變形不協調，使模擬結果準確。

圖3 連續約束雙梁模型

有黏結的后張法預應力筋放張后存在較高的殘余預應力。分析時，殘余預應力值近似按照先張法預應力筋的傳遞長度計算[9]，提高實際結構的模擬精度，盡可能反映局部拆除舊橋的承載力。

有限元分析采用Midas Civil 軟件。按預應力混凝土A 類構件進行驗算。設計汽車荷載采用公路I級。溫度荷載按橋梁規范采用。

主要施工步驟模擬按照舊橋建設、運營、加固、運營和切割翼緣等階段進行[10]（見表1）。

表1 施工階段

2.2 切割前后主要性能比較

切割后抗彎承載力和基本組合彎矩包絡圖見圖4。由于切割翼緣導致的截面削弱、鋼束的切除使得切割后主梁斷面的抗彎承載力有所下降。切割前和切割后主梁的抗彎承載能力均能滿足安全要求。在正彎矩區，承載能力的安全裕度相對較小，切割前后分別為1.03 和1.07。

圖4 抗彎承載力和基本組合彎矩包絡圖

切割前，舊橋抗剪承載能力和基本組合剪力包絡圖見圖5。切割前，舊橋主梁的抗剪承載能力多處略有不足。如果考慮2010 年加固的豎向預應力，在中支點處對一側箱梁能夠提供1 800 kN 承載能力，則效應值超出抗力值5.5%。若進一步考慮加固時腹板的加寬貢獻，舊橋抗剪承載力能滿足安全要求。切割后，由于結構自重略有降低，效應值超出抗力值的比例降低為1.2%。

圖5 抗剪承載能力和基本組合剪力包絡圖

切割前后，金山大橋的抗裂性驗算結果見表2。按預應力混凝土A 類構件驗算，切割前混凝土主拉應力超出規范限值。實際上舊橋也存在很多使用階段裂縫，這與加固前金山大橋的狀態相吻合。

表2 抗裂性比較 單位：MPa

局部翼緣的切割未對主梁的正應力造成顯著影響，切割后比切割前的應力增大約2%，沒有明顯變化。切割翼緣之后，頻遇組合下的主拉應力也基本沒有發生變化，一些梁段主拉應力還有所下降。這是由于自重卸載作用使主梁恒載剪力減小，剪應力也相應降低，從而主拉應力也隨之降低。另外，考慮到豎向預應力筋的作用，切割后主梁斜截面抗裂能力滿足要求。

切割前后撓度和基頻見表3。切割翼緣之后，主梁撓度略有增加，但是變化量較小，未超過4%。切割前后主梁豎彎基頻變化范圍在1%以內。

表3 汽車荷載撓度和基頻比較

3 續運營期內橋梁性能監測實測分析

金山大橋改造施工后將繼續一年的續運營，在此過程中對結構整體安全狀態進行全過程監控。監測內容包括跨中撓度實時監測、主梁應變實時監測和裂縫數據觀測。

3.1 切割前監測

切割前后撓度和應力監測主要數據見表4。主梁局部切割之前，東邊跨跨中監測到最大撓度10.67 mm，中跨跨中監測到最大撓度-8 mm，西邊跨跨中監測到最大撓度-6.85 mm。變形后，數據基本恢復正常，說明橋梁剛度比較穩定。

表4 切割前后撓度和應力監測數據

大多數位置測點應力和日溫度的變化相關性強，隨日溫度變化規律明顯。監測時段內，季節溫度也有所變化，所以大部分應力數據受溫度變化影響很大。局部時間段受通車車輛荷載的影響，應力有所變化，負彎矩上緣比較明顯，跨中上緣變化較小。

根據前述受力分析，考慮汽車荷載和梯度溫度共同作用進行組合作為運營階段的受力包絡，以此來對監測數據進行分析和控制。從表4 中可知，3 個跨中測點的撓度實測值均小于理論計算值，即監測數據都在理論控制范圍內，說明撓度控制上有足夠的富裕度。梁頂的4 個正應力監測點的應力實測值也大部分小于理論控制值。東邊跨跨中梁頂應力實測值比計算控制值偏大0.88 MPa，考慮到理論上邊跨跨中仍有1.41 MPa 的抗拉儲備，所以監測數據基本可控。

3.2 切割實時監測

西側翼緣切割完成現場見圖6。翼緣局部切割分為3 塊分步進行，分塊切割順序見圖7。第一天進行首縫切割，觀察和監測現場橋梁工作情況穩定后，第二天進行余縫的切割。

圖6 西側第三塊切割完成

圖7 西側切割順序圖（單位：m）

從切割前后的撓度監測數據曲線圖（見圖8 和圖9）可以看出，撓度變化與日溫度變化顯著相關，切割對于撓度的影響較小，與前述理論分析結果一致。中跨跨中監測到最大撓度-6.73 mm，西側邊跨跨中監測到最大撓度-2.68 mm。監測數據都小于切割前最大值，說明西側切割完成后，切割對主橋撓度影響較小，橋梁剛度比較穩定。

圖8 中跨跨中豎向撓度和溫度

圖9 西側邊跨跨中豎向撓度和溫度

從切割前后的應力監測數據曲線圖（見圖10）可以看出，測點應力與日溫差顯著相關。切割對于西側邊跨跨中應力影響比較明顯。切割過程中，中跨跨中監測到最大的應力變化值為0.9 MPa，鋼梁監測到最大應力變化值為19 MPa。其余應力測點變化較小，切割影響有限。從表4 可知，東中墩頂的應力實測值超出計算控制值1.82 MPa，但理論上中墩墩頂仍有1.31 MPa 的抗拉儲備，需對裂縫情況進行嚴密監控。

圖10 西側支墩上緣應力和溫度

3.3 切割運營兩周后

切割后運營兩周的監測數據基本規律同切割后，時長兩周的撓度和應力監測數據見圖11 和圖12。測點應力和撓度仍舊與日溫差顯著相關。東邊跨跨中監測到最大撓度-5.12 mm，中跨跨中監測到最大撓度-8.15 mm，西邊跨跨中監測到最大撓度-8.35 mm。監測數據均小于切割前監測最大值。切割運營兩周后對橋梁的監控表明，橋梁剛度比較穩定。測點的撓度和應力大部分可控，且有足夠的富裕度。車輛荷載對橋梁測點撓度和應力影響有限。

圖11 西側邊跨跨中豎向撓度和溫度

圖12 西側支墩上緣應力和溫度

從表4 可知，切割后運營兩周的撓度實測值均遠遠小于理論計算值，說明撓度控制上還有足夠的富裕度。東邊跨跨中的應力實測值超出計算控制值0.37 MPa，因為中墩墩頂仍有1.41 MPa 的抗拉儲備，監測數據基本可控。

3.4 切割運營一個月后

切割后運營一個月的監測數據見圖13 和圖14。東邊跨跨中監測到最大撓度10.89 mm，中跨跨中監測到最大撓度-6.27 mm，西邊跨跨中監測到最大撓度-4.21 mm。所監測到的數據在6 月14 日有突變，后恢復正常。從表4 可知，撓度實測值均小于理論計算值，說明撓度控制上還有足夠的富裕度。應力實測值也均小于理論計算值。

圖13 西側邊跨跨中豎向撓度和溫度

圖14 西側支墩上緣應力和溫度

4 結論

（1）金山大橋續運營期結構分析結果表明，由于翼緣切割時也切割了部分預應力鋼束，對主梁的抗彎承載能力有一定影響，但對主梁的抗剪承載能力幾乎沒有影響。切割前后主梁正截面和斜截面的抗裂性能沒有發生明顯變化。切割翼緣沒有明顯影響主梁剛度，切割前后，主梁撓度的變化幅度在4%以內，基頻的變化幅度在1%以內。

（2）切割前后的長期監測數據表明，實測撓度和應力數據隨日溫度變化規律明顯，通車車輛荷載的影響相對較不顯著。監測預警設置的理論值宜采用汽車荷載和規范梯度溫度荷載的組合控制值。

（3）經過一年多的現場實時監測，現場實測撓度和應力數據均在理論計算控制范圍內。混凝土箱梁橋的翼緣局部切割對整體橋梁的運營未造成實質性的影響，橋梁能保持正常運營，完成通車任務。混凝土箱梁橋局部切割方式和性能分析能為同類型舊橋改造提供借鑒。