國道324 線洛陽橋維修加固設計方案分析

■曾麗梅

（泉州市公路事業發展中心惠安分中心，泉州 362000）

1 工程概況

國道324 線洛陽橋位于惠安縣， 橋跨布置為（30+6×24.8+30）m， 上部結構為預制簡支預應力混凝土T 梁，橋面連續，下部結構為樁柱式雙圓柱墩、柱式橋臺、鉆孔灌注樁基礎。 橋梁橫斷面采用12 片C40 預應力混凝土T 梁組成。 主梁梁肋中心距為1.65 m，跨徑30 m 梁高為1.75 m，跨徑24.8 m 梁高為1.45 m，肋板寬度16 cm，馬蹄寬度36 cm，翼板端部厚8 cm、根部厚18 cm。 預應力鋼絲束采用符合YB255-64《預應力混凝土結構用碳素鋼絲》標準的冷拔碳素圓鋼絲，單徑為5 mm，極限抗拉強度為1 600 MPa，彈性模量E=2×105MPa，每束由24 絲組成。 主梁沿縱橋向每隔486 cm 設置1 道橫隔板，橫隔板厚16 cm，橫隔板為中間鏤空，通過在頂、底處預埋鋼板焊接連接。 主梁橋面翼板設有2 cm 縫隙，在兩橫隔板中間（沿縱橋向）翼緣頂部鉸縫處設置1道預埋鋼板焊接連接。 橋面鋪裝為C30 鋼纖維防水混凝土，分2 組橋面連續，1～4 孔為第一聯，5～8孔為第二聯，全橋僅兩橋臺及橋中間4 號墩處各設1道伸縮縫。

現有洛陽橋為1996 年1 月設計，1996 年12 月通車，橋梁建設時利用原洛陽江橋閘（寬9 m），在原橋閘下游單側加寬預制T 梁橋，其中既有橋閘為水利設施；既有橋閘過水斷面為32-5×4.7 m 石拱橋，下部結構為條石基礎；洛陽橋設計荷載為汽車-20 級，掛車-100，人群荷載3 kN/m2（圖1～3）。

圖1 洛陽橋側面圖

圖2 洛陽橋橋型布置圖

圖3 主梁標準橫斷面

2 橋梁病害情況及原因分析

2.1 橋梁病害情況

根據2021 年8 月檢測單位提供的《國道324線K167+236 洛陽大橋定期檢查報告》和現場復查，洛陽橋主要病害如下。

2.1.1 橋面系

橋面鋪裝存在43 條縱橫向裂縫（最大長度L=17 m，最大寬度D=2 mm），橋面鋪裝2 處坑洞（最大面積S=1.5 m2），磨光露骨2 處（最大面積S=15 m2）；人行道破損4 處（最大面積S=0.75 m2），開裂8 處，修補失效2 處。 橋面鋪裝層縱向裂縫見圖4。

圖4 1# 跨橋面鋪裝層裂縫（縱向裂縫）

2.1.2 上部結構

T 梁存在28 處剝落露筋（最大面積S=0.16 m2），橫向裂縫1 處（L=0.35 m，D=0.1 mm）；橫隔板存在21 處鋼板裸露，3 處剝落、掉角（最大面積S=0.32 m2）。橫隔板病害詳見圖5。

圖5 橫隔板鋼板裸露、混凝土剝落

2.1.3 下部結構

墩身、 蓋梁存在28 處剝落露筋（最大面積S=0.12 m2），存在6 條裂縫（最大長度L=1.5 m，最大寬度D=0.4 mm），22 處蜂窩麻面（最大面積S=0.05 m2）。

2.2 病害原因分析

（1）現狀橋面鋪裝病害較嚴重，主要表現為墩頂橫向裂縫及沿縱橋向翼緣裂縫。 墩頂橫向裂縫由于橋面連續失效，引起裂縫反射至鋪裝層，引起開裂。 該橋的簡支T 梁之間未采用現澆濕接頭的方式連接，翼板縫隙間局部采用鋼板搭接這種類似于鉸接的形式，橋面鋼筋混凝土鋪裝層較薄（7 cm），砼標號C30，鋪裝層鋼筋較弱（?8 鋼筋，間距20 cm×20 cm），橋面鋪裝層整體橫向連接較弱，加上橫隔板之間的聯系采用鋼板焊接，貫通整個橋面的縱向裂縫是由于T 梁橫隔板連接受損（失效）后，橫向聯系進一步變弱，產生過大的變形引起。 （2）橫隔板聯系剝落、掉角，連接鋼板裸露、脫焊、錯位。 因連接鋼板尺寸較小，橫向連系剛度不足，超載車輛較多，導致橫隔板聯系功能失效；或因施工誤差，造成橫隔板錯開、 焊接質量不合格， 也導致橫隔板聯系功能失效。 （3）混凝土蜂窩、麻面、掉角、露筋為主梁吊裝時磕碰造成，或混凝土澆筑過程中缺乏應有的搗固，模板縫隙不嚴，水泥漿流失等造成。（4）蓋梁裂縫。通過裂縫部位及近兩年外觀檢測報告數據及現場調查對比，裂縫位置在結構非受拉部位，為表層裂縫，且近兩年裂縫寬度及長度基本沒有進一步變大， 造成裂縫極有可能由外界環境溫差、混凝土收縮引起。

3 橋梁加固設計方案比選

依據橋梁檢查報告和現場調查結果、病害成因分析等，擬對如下3 個方案進行比選。

3.1 方案1：橫隔板加強鋼筋混凝土法

橋面鋪裝鑿除重做并加強，與原有主梁形成整體，增加主梁有效高度和增大受壓截面；橫隔板連接處采用加厚鋼筋混凝土法加固，以增強橫隔板連接剛度。 方案設計見圖6。

圖6 跨間橫隔板加強構造圖

3.2 方案2：橫隔板加強和翼緣板重澆剛接法

（1）橋面鋪裝鑿除重做并加強，與原有主梁形成整體，增加主梁有效高度和增大受壓截面；（2）橫隔板連接處采用加厚鋼筋混凝土法加固，以增強橫隔板連接剛度；（3）鑿除T 梁翼板80 cm 寬度范圍，澆注濕接縫、鉸接改為剛接。 方案設計見圖7。

圖7 翼緣板重澆剛接法示意圖

3.3 方案3：更換主梁法

（1）拆除原有橋面和主梁；（2）按現有荷載等級重新安裝主梁和澆筑橋面。 設計方案見圖8。

圖8 更換主梁法示意圖

3.4 3 種加固方案比選

按照維修加固滿足使用功能要求的前提下，兼顧經濟效益、社會效益的原則，對3 種橋梁維修加固方案進行了比選，比選結果見表1。

表1 3 種橋梁維修加固方案比選

比選結果表明，現有橋梁交通繁忙，為城市交通主要通道，從橋梁管養角度考慮，在橋梁主體結構承載能力滿足正常使用要求基礎上，綜合考慮施工工期、施工風險、施工難度、造價、社會效益等因素，推薦采用方案1。

4 加固設計方案分析

4.1 加固目標

（1）通過對橋面鋪裝層補強及T 梁橫隔板加固，以滿足原橋設計汽車荷載等級汽車-20 級，掛車-100荷載，適當提高承載力安全儲備，保證運營的安全[1]；（2）對橋梁裂縫予以修復，混凝土破損及缺陷修補，提高橋梁耐久性[2]；（3）處治其他病害，滿足橋梁正常使用需求。

4.2 橋梁改造前原結構計算

由于洛陽橋建造于1996 年， 采用的設計規范是JTJ 022-85《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》和JTJ 021-89《公路橋涵設計通用規范》。 按照老橋老規范的原則，委托設計單位對洛陽橋的24.8 m 和30 m 主梁分別各取1 孔驗算。

4.2.1 選取的材料及參數指標

選取的材料及參數指標詳見表2。

表2 主要材料及參數（老規范值）

4.2.2 承載能力檢算系數

根據該橋2014 年特檢報告、2018 年橋檢報告并結合現場調查，主梁承載能力檢算系數Z1取值見表3。

表3 主梁承載能力檢算系數Z1 取值

4.2.3 有限元模型構建

利用空間有限元計算軟件MIDAS/Civil 2021，建立有限元模型， 采用梁格法進行結構計算分析。橋梁結構為簡支T 梁，24.8 m 和30 m 分別各取1孔驗算。計算模型見圖9，模型采用的材料及參數詳見表2，主梁邊界條件按簡支梁受力特性進行設置。

圖9 兩跨T 梁有限元模型示意圖

4.2.4 結構驗算

按照原橋設計荷載等級要求，進行承載能力極限狀態和正常使用極限狀態計算。 經檢算，T 梁承載能力極限狀態下，正截面抗彎、斜截面抗剪；正常使用極限狀態下，正應力、主拉、主壓應力、撓度均滿足原設計85 規范 （汽- 20 級， 掛車-100 級）要求。 驗算結果見表4～6 中加固前階段數值。

4.3 加固改造設計方案分析

從舊橋的計算分析可以看出原設計T 梁的承載能力有一定富余，使得在實際超載車作用下縱向T 梁梁底檢測沒有裂縫， 可以通過適當加高梁體斷面，重新澆筑10 cm 厚鋼筋混凝土橋面鋪裝，使鋪裝層與主梁共同受力，組成組合截面，從而充分利用梁內預應力鋼束，來提高T 梁承載能力。 （1）在盡量不增加舊橋恒載和盡量不損傷原橋無病害部分情況下，人工鑿除舊橋原橋面鋪裝層（7 cm 厚C30混凝土），梁頂設置剪力槽、植筋、現澆10 cm 厚的C50 鋼筋混凝土鋪裝層，組成組合截面，增大梁體截面，加大了截面抗彎慣性矩，提高了梁體抗彎承載力；提高了截面上緣受壓面積，提高截面上緣的抗壓承載力。 （2）由于原設計主梁間翼板采用鉸接形式，橋面鋪裝層偏薄且配筋較弱，橫隔板連接采用鋼板焊接，橫向聯系弱，經過多年運營，橋面鋼筋混凝土鋪裝層受損嚴重、橫隔板鋼板變形錯位、橫隔板之間的聯系（鋼板焊接）部分已受損（失效），使主梁趨于單梁受力的不利狀態。 本次設計通過加厚橋面鋪裝層及加強鋪裝層鋼筋布置，同時對橫隔板進行加固，增加連接剛度，使主梁受力更均勻，從而改善現狀主梁受力狀態。 橋梁加固設計示意見圖10。

圖10 橋梁加固設計示意圖

4.4 加固改造后結構計算

改造后考慮橋面鋪裝層8 cm （已扣除2 cm 磨耗層）參與主梁共同受力，計算參數同改造前。 計算時考慮橋面加鋪層、橫隔板加固混凝土、及新增防撞護欄等增加的二恒重量。 T 梁左側按遠期改造后橫斷面布置行車道考慮計算（受力不利）。 驗算結果見表4 中加固后階段數值。

表4 主梁正截面抗彎承載能力加固前后計算結果對比

通過對橋面鋪裝層補強及橫隔板加固，使主梁受力更均勻，有效減小了單片主梁內力分布，滿足原橋設計汽車-20 級， 掛車-100 荷載等級要求，并提高了承載力安全儲備，保證了運營的安全。

4.5 加固設計主要措施

4.5.1 T 梁橫隔板加固設計

T 梁橫隔板連接鋼板有T 梁翼板頂緣連接鋼板、橫隔板側向上下連接鋼板，T 梁翼板頂緣連接鋼板在橫隔板加固后由鋼筋混凝土替代，不再保留，橫隔板側向上下連接鋼板須保留連接。 頂板在橫隔板位置采用人工鑿除局部開槽0.47 m（橫橋向）×0.36 m（縱橋向），用切割機沿鋼板邊緣割除翼板頂緣連接鋼板及鋼筋，鋼筋保留足夠長的接頭，并與橫隔板加固鋼筋N1 焊接接長。 施工時應先鑿除橫隔板側向鋼板連接處表面砂漿保護層和松散混凝土至露出鋼板及鋼筋，檢查鋼板連接情況，對于連接完整無病害的鋼板，直接保留利用。 對于表面生銹、脫焊的連接鋼板須除銹、除渣、補焊后再加固。 對于有錯位的連接鋼板調平糾偏后，再用新的連接鋼板恢復連接， 鋼板變形較大的可以采取墊焊來調平處理，連接鋼板重新焊接后再澆筑加厚橫隔板。

表6 主梁正常使用極限狀態斜截面主拉應力加固前后計算結果對比

4.5.2 橋面鋪裝改造設計

原設計為7 cm 厚C30 鋼纖維防水混凝土鋪裝，橋面鋪裝層鋼筋網為?8 間距20 cm×20 cm，混凝土強度等級偏低，容易磨耗，加上配筋較弱，橋面鋪裝損壞嚴重，采用常規裂縫修補和表面缺陷修復已不能滿足現狀交通使用需求，應對橋面鋪裝鑿除重做并加強。 本次改造設計，破除原橋橋面鋪裝后重新澆筑C50 防水鋼筋混凝土鋪裝層，用?12 鋼筋（植筋）與梁體連接牢靠，形成整體，避免梁體混凝土與橋面鋪裝混凝土脫離，形成“兩層皮”現象。

橋面鋪裝改造，先采用人工鑿除原混凝土鋪裝層， 在原橋面板上設置齒形剪力槽， 剪力槽最深10 mm，間距155 mm。 設置10 cm×10 cm?12 的鋼筋網，并在梁體頂面上植筋，植筋做成直角勾，為避免鋼筋焊接時高溫對植筋膠的影響，植筋頂端與現澆層橫向鋼筋綁扎牢固，從而約束鋪裝縱向鋼筋作用，提供抗剪，后澆筑10 cm C50 防水混凝土現澆層。 由于翼板連接處為鉸接， 故在鉸縫處采用?12間距10 cm 的短筋進行加強，與橋面鋼筋網橫向鋼筋間隔布置。 為了提高邊梁外側懸臂板承載能力，在懸臂處采用?16 間距10 cm 的短筋進行加強，與橋面鋼筋網橫向鋼筋并置。 植筋采用梅花型布置，并嚴格控制孔深， 施工時應按設計圖紙嚴格設置，植筋鉆孔時，如果碰到梁體鋼筋，須適當調整鉆孔位置， 不得損傷梁體鋼筋。 墩頂橋面連續處布置?12 間距10 cm 橋面連續加強短筋，與現澆鋪裝層鋼筋網縱向通長鋼筋并置，混凝土澆筑完達到一定強度后鋸縫填充瀝青瑪蹄脂。

4.6 主要工藝措施

4.6.1 人工鑿除

（1）橋面鋪裝層鑿除。 橋面鋪裝層采用人工鑿除，應不損傷原橋無病害部分。 建議先采用切縫機將橋面鋪裝層混凝土切割成大約45×45 cm 的小塊，按照混凝土厚度進行切割，T 梁橋混凝土鋪裝層為7 cm，舊橋閘水泥路面為22 cm；再利用風鎬插入鋪裝層與梁體的結合面，通過風鎬振動破壞結合面粘結力，用撬棍將小塊混凝土撬起[3]。 （2）T 梁橫隔板連接處鑿除。 橫隔板連接處局部開槽時要保護原結構不受損傷，施工時關注原結構狀況，出現開裂、剝落掉塊等意外情況時，要立即停止鑿除施工。具體工藝如下：劃線確定鑿除混凝土范圍，沿線切開保護層; 沿切縫的外側， 用鋼筋探測儀每20～40 cm（鋼筋間隙）劃定一沖擊孔位; 用沖擊鉆在每個沖擊孔位處鉆孔，穿透橫隔板，孔徑60～100 mm；沿孔位先豎向、 后水平向鑿除橫隔板混凝土露出鋼筋;對鑿除范圍的內邊緣修邊，并鑿毛表面。

4.6.2 濕接縫施工工藝

橫隔板加固新舊混凝土結合面處理按濕接縫處理。 （1）拼接部位混凝土表面按施工縫處理，鑿除混凝土表面上松動的碎塊，再用鋼絲刷將表面松散殘渣刷除， 處治后的混凝土表面粗糙度度不小于6 mm。 （2）混凝土表面濕度處理。 在混凝土澆筑前，新舊混凝土結合面至少不間斷澆水4～6 h， 然后蓋上濕麻袋， 直至舊混凝土及粘結面上無明顯水跡，保濕18～24 h 才能澆筑新混凝土。 （3）表面界面劑涂抹。 對混凝土表面處理達到要求并保持濕潤狀態下，用毛刷涂抹一層界面劑（摻10%的U 型膨脹劑的水泥漿），厚度約1 mm，然后立即進行新混凝土澆筑工作。 （4）混凝土澆筑后的保溫、保濕養護措施。 澆筑后應立即覆蓋無紡土工布蓄水養護，養護時間不少于14 d。

4.7 耐久性設計

混凝土耐久性設計遵循JTG/T 3310-2019 《公路工程混凝土結構耐久性設計規范》 和JTG 3362-2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》的要求。

4.7.1 環境分區、分類及作用等級

根據JTG 3362-2018 《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》規定：本工程所處氣候環境為南亞熱帶海洋季風氣候， 按Ⅲ類海洋環境設計，根據JTG/T 3310-2019《公路工程混凝土結構耐久性設計規范》的規定，并結合水質分析結果橋梁結構各部位的環境作用等級見表5。

表5 主梁斜截面抗剪承載能力加固前后計算結果對比

表5 橋址所處環境作用等級

4.7.2 混凝土材料的選用

按照JTG/T 3310-2019 《公路工程混凝土結構耐久性設計規范》規定，設計中對混凝土原材料的選用與水灰比等主要配比參數要求如下。 水泥[2]：應盡量選用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，混合材料宜為粉煤灰或礦渣。 硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥的細度不宜超過350 m2/kg； 水泥中鋁酸三鈣（C3A）含量不宜超過8%（海水中不宜超過5%）。 大體積混凝土宜采用硅酸二鈣（C2S）含量相對較高的水泥。 水泥的堿含量（按Na2O 量計）不宜超過0.6%。 粗、細集料[2]：宜選用質地堅硬、級配良好、粒徑合格、吸水率低、顆粒潔凈、有害雜質含量少、無堿活性的粗、細集料，基本技術指標應按現行標準JTG/T 3650-2020《公路橋涵施工技術規范》的相關要求執行。 粗集料的最大公稱粒徑不應超過結構最小邊尺寸的1/4 和鋼筋最小凈距的3/4；在兩層或多層密布鋼筋結構中，不應超過鋼筋最小凈距的1/2。減水劑[2]：合適的減水劑能夠顯著提高混凝土的工作性能，降低水化熱，使混凝土內部溫度有所降低，延緩溫度高峰的出現。 減水劑宜采用聚羧酸系減水劑。 外加劑[2]：摻入適當的混凝土外加劑，可以防止混凝土的早期收縮裂縫與徐變，避免過多的氣孔產生。 采用高效緩凝劑使混凝土初凝時間比箱梁澆筑時間更長， 可以避免混凝土澆筑過程中的初凝開裂。 各種外加劑中的氯離子總含量不宜大于混凝土中膠凝材料總質量的0.02%，硫酸鈉含量不宜大于減水劑干重的15%，防凍劑中的氯離子含量不應大于0.1%。

4.8 橋梁改造施工順序

（1）改造前將T 梁橋左側人行道外掛軍纜遷改至橋閘右側新建人行道下。 （2）人工鑿除后澆帶處橋面鋪裝；解除后澆帶處T 梁鉸縫處翼板頂緣鋼板連接；T 梁橫隔板位置頂部采用人工鑿除局部開槽0.47 m（橫橋向）×0.36 m（縱橋向），解除后澆帶處橫隔板鋼板連接；使左、右分幅施工結構獨立受力，不受通車影響。 （3）拆除舊橋人行道構件。 （4）梁頂采用人工鑿毛設置齒形剪力槽、植筋；利用橋下支架工作平臺，修復下部結構及梁體混凝土裂縫、表層缺陷等病害，對橫隔板連接鋼板進行加固、橫隔板表面鑿毛、植筋、布置橫隔板鋼筋，澆筑橫隔板加固混凝土；布置左側翼板拼寬鋼筋、左側護欄基座預埋鋼筋及鋪裝層內遠期改造護欄基座預理鋼筋，澆筑拼寬段混凝土，并對澆筑的混凝土翼板頂面拉毛。 （5）布置橋面現澆層鋼筋網，澆筑橋面鋪裝混凝土；布置防撞護欄基座鋼筋、路燈基座預埋件、預理照明穿線管，澆筑防撞護欄及路燈基座混凝土。（6）安裝防撞護欄。

4.9 施工注意事項

（1）本橋改造施工過程中，所有材料和施工工藝必須滿足JTG/T J22-2008《公路橋梁加固設計規范》和JTG/T J23-2008《公路橋梁加固施工技術規范》。 （2）植筋鉆孔實施前，施工單位應探測原結構鋼筋位置， 如發現植筋位置與原鋼筋位置沖突時，可對植筋位置進行局部調整，以避開原鋼筋，調整情況及時報設計單位。 如鉆孔過程中，碰到原鋼筋，應及時停鉆，采用聚合物砂漿修補好，并報告監理和設計單位。 （3）破除T 梁橋面鋪裝、橋閘水泥路面須采用人工鑿除，嚴防對橋體結構造成破壞。 （4）翼緣改造、T 梁橫隔板加固等工序中需要鑿除原結構混凝土并保留原結構鋼筋，施工時注意避免損傷原鋼筋，一旦原鋼筋受損，應先予以恢復，可采用不小于原直徑的鋼筋按規定焊接補強。 （5）分幅施工后澆帶橋面鋪裝前，須注意恢復T 梁鉸縫處翼板頂緣鋼板連接。 （6）任何施工部位，均不得有施工機械行車震動干擾。 （7）橋面鋪裝、橫隔梁加固等橋梁結構加固用混凝土的強度等級應比原結構構件提高一級，采用C50 補償收縮混凝土。 橫隔梁加固改造混凝土采用自密實混凝土， 混凝土粗集料應選用質密、堅硬、強度高、耐久性好的碎石，小石子混凝土最大粒徑不大于1.2 cm。 橋面鋪裝混凝土采用粒徑不大于2 cm 的粗集料。 （8）所有環氧樹脂采用水性環氧樹脂。 混凝土均采用補償收縮混凝土，新舊混凝土結合處， 原構件表面應鑿成不小于6 mm 的粗糙度。 植筋鉆孔，建議采用喜利得鉆孔設備，其質量可靠，鉆孔快捷。

5 結論

改造后橋梁荷載標準采用原設計荷載標準汽車-20 級，掛車-100；人群荷載：3.0kN/ m2。 改造后橋梁實際承載能力有所提高，如需提高荷載標準，應通過改造后荷載試驗判斷確定。 建議對改造后的洛陽橋建設一套高效實用的監測與預警系統，以便對洛陽橋的健康狀況進行長期自動觀測，保證洛陽橋的運營安全。