淺述南海區大沖南橋養護管理對策

黎建毅,鄭玉佩

（1.佛山市南海區公路管理站,廣東 佛山 528000;2.佛山市公路勘察規劃設計所有限公司,廣東 佛山 528000）

0 引言

橋梁使用年限增加，交通荷載等級日益增大，現狀橋梁病害日漸發展，采取科學、合理的養護管理對策維修加固橋梁是十分必要的。上部結構為20 m預應力混凝土空心板和30 m預應力混凝土空心板橋梁，采用淺鉸縫使橫向聯系較差，易形成單板受力狀態。預應力混凝土空心板頂板偏薄，易發生板底滲水泛堿病害，降低橋梁的承載能力。因此，研究上部結構為預應力混凝土空心板[1]的橋梁病害管理對策是迫切的。

該文以大沖南橋舊橋[2]上部結構預應力混凝土空心板作為研究對象，進行病害分析、舊橋結構承載力驗算及養護管理后結構驗算，采用控制變量法做橋梁自振頻率參數敏感性分析，研究上部結構為預應力混凝土空心板的橋梁養護管理對策的可行性。

1 工程概述

大沖南橋位于佛山市南海區桂和路上，跨越大沖南河，路線代碼S267（帽三線），橋梁中心樁號K77+291。

橋梁全長270.0 m，橋梁分左右兩幅。桂和路于2006年進行拓寬改造，大沖南橋左右側均擴建了拓寬橋。橋梁組合跨徑為：3×20.0 m（預應力混凝土空心板）+3×30.0 m（預應力混凝土空心板）+6×20.0 m（預應力混凝土空心板）。原舊橋橋面總寬26.0 m，橋面橫向布置為0.5 m（護欄）+11.0 m（行車道）+0.5 m（護欄）+2.0 m（中央分隔帶）+0.5 m（護欄）+11.0 m（行車道）+0.5 m（護欄）；單側拓寬橋橋面總寬為9.0 m，橫向布置為：0.5 m（左側護欄）+8.0 m（行車道）+0.5 m（右側護欄）。1996 年原舊橋建成通車，2007 年左右側拓寬橋建成通車。

橋梁上部結構由預應力混凝土空心板組成。下部結構為柱式墩、柱式臺，鉆孔灌注樁基礎。支座為板式橡膠支座；橋面鋪裝為水泥混凝土，采用鋼筋混凝土防撞護欄，異型鋼伸縮縫。

技術標準：公路等級：一級公路；設計車速：100 km/h；設計荷載：原舊橋為汽車-超20、掛-120[3]，兩側拓寬橋為公路-I級。

2 橋梁病害狀況

根據佛山市南海縱橫交通建設質量檢測有限公司《2016年度橋梁定期檢查項目——大沖南橋》（2017年11月）[4]：左右兩側拓寬橋橋梁狀況良好，評定為2類橋，即有輕微缺損，對橋梁使用功能無影響；原舊橋梁技術狀況等級評定為3類，上部構造、蓋梁和樁基病害狀況如下：

（1）上部構造病害[5]：1）左幅病害情況：局部空心板出現縱向裂縫、橫向裂縫，局部板底水泥混凝土破損，第5#跨梁底被火熏黑多處鉸縫砂漿脫落。2）右幅病害情況：局部預應力混凝土空心板出現縱向裂縫、橫向裂縫，第2跨和第5號跨梁體被火熏黑，局部板底有水跡，全橋多處鉸縫砂漿脫落，其中9-5、9-6、10-5#鉸縫有滲水析白現象。

（2）下部構造病害：橋墩蓋梁局部銹脹露筋，橋墩普遍有水跡，橋臺出現滲水污染。

（3）水下樁基檢測結果：部分樁柱被淤泥覆蓋且表面輕微沖蝕，局部樁柱表面剝落。

（4）動載試驗結果表明[6]：30 m跨橋梁結構的實測激發頻率測試結果小于自振特性測試中得到的基頻；20 m跨所測沖擊系數略小于規范計算值（1+μ=1.247），30 m跨所測沖擊系數略小于規范計算值（1+μ=1.177 7）。

3 橋梁上部結構驗算

根據橋梁病害狀況及橋梁維修歷史，尤其是在2017年曾對左幅橋第10跨1～5#預應力混凝土空心板進行更換，可判斷大沖南橋舊橋上部結構及其鋪裝層存在著嚴重的病害，對舊橋預應力混凝土空心板進行結構驗算是必要的。

驗算技術標準：1）安全等級：Ⅰ級；2）設計基準期：100年；3）環境類別：Ⅱ類環境；4）設計荷載：汽-超20，掛-120；5）橋梁寬度：26 m，雙向6車道；6）《大沖南橋竣工圖》（1994年）。

3.1 20 m預應力混凝土空心板荷載驗算

3.1.1 永久荷載中結構重力產生的效應

（1）結構重力：預應力鋼筋混凝土容重按26 kN/m3計[7]，邊板與中板的普通鋼筋與預應力鋼筋數量及布置情況一致，采用邊板跨中截面統一進行驗算。

式中，G1——邊板每延米重力；A——邊板截面面積；γ——預應力鋼筋混凝土容重。

（2）二期恒載：按橋面鋪裝實際厚度計算，護欄按照橫向分布系數進行分配。

橋面鋪裝：G2=3.44 kN/m；

護欄：G3=2.83 kN/m。

式中，SG——二期恒載；G2——橋面鋪裝每延米重力；G3——護欄每延米重力；q——上部結構每延米重力；l——預應力混凝土空心板長度。

3.1.2 基本可變荷載中汽車產生的效應

（1）跨中處橫向分布系數（鉸接板法）如表1所示。

表1 橫向分布系數

（2）沖擊系數：μ=1.19；

荷載組合如表2所示。

表2 荷載組合表

3.1.3 承載能力極限狀態計算

20 m預應力混凝土空心板抗彎強度如表3所示。

表3 預應力混凝土空心板跨中正截面抗彎強度 /（kN·m）

3.2 30 m預應力混凝土空心板荷載驗算

3.2.1 永久荷載中結構重力產生的效應

（1）結構重力：預應力鋼筋混凝土容重按26 kN/m3計，采用邊板跨中截面進行驗算。

式中，G1——邊板每延米重力；A——邊板截面面積；γ——預應力鋼筋混凝土容重。

（2）二期恒載：按橋面鋪裝實際厚度計算，護欄按照橫向分布系數進行分配。

橋面鋪裝：G2=3.44 kN/m；

護欄：G3=1.09 kN/m。

公式中，SG——二期恒載；G2——橋面鋪裝每延米重力；G3——護欄每延米重力；q——上部結構每延米重力；l——預應力混凝土空心板長度。

3.2.2 基本可變荷載中汽車產生的效應

（1）跨中處橫向分布系數（鉸接板法）如表4所示。

表4 橫向分布系數

（2）沖擊系數：μ=1.18；

荷載組合如表5所示。

表5 荷載組合表

3.2.3 承載能力極限狀態計算

30 m預應力混凝土空心板抗彎強度如表6所示。

4 養護管理加固方案

4.1 從養護管理層面分析病害成因

從養護管理層面對大沖南橋原舊橋病害成因分析是維修加固設計的前提，橋梁病害的產生往往是綜合因素的結果，每個因素又相互關聯，相互影響。從養護管理角度出發，考慮到原舊橋《定期檢查報告》，除了下部構造、支座、橋面系和樁基等病害需要按合理的加固維修方式處理外，上部結構出現的病害最嚴峻。

針對上部結構的養護管理，從養護管理角度分析病害成因：由于預應力混凝土空心板為淺鉸縫以及橋面鋪裝破壞，導致預應力混凝土空心板間橫向聯系較差，形成橋梁運營過程中的單板受力狀態，底板受拉區混凝土拉應力超標，致使單個預應力混凝土空心板出現橫向裂縫。預應力混凝土空心板頂板過薄，橋面鋪裝混凝土破碎，雨水滲入預應力混凝土空心板內（表現為板底滲水泛堿），再由裂縫滲入鋼鉸絲表面，使其產生銹蝕作用，進一步降低了橋梁的承載能力。該橋預應力混凝土空心板結構為大空板，板寬1.5 m，淺鉸縫，頂、底板、腹板厚度太薄（分別為10 cm、11 cm），斷面結構存在安全隱患，也是產生病害的主要原因。

4.2 預應力空心板結構計算分析（以30 m跨為例）

預應力混凝土空心板為簡支結構，板高120 cm，為無黏結預應力，底板預應力配置為17根φs15.2鋼絞線。經復核驗算，預應力混凝土空心板在設計荷載作用下，最大荷載組合效應為3 964 kN·m，正截面強度為2 948 kN·m，超出承載能力34%。且預應力布置不合理，在荷載作用下，板低中間應力小的位置布置的鋼鉸絲較密，在靠腹板的位置布置的鋼鉸絲較疏，不符合剪力滯原理，導致底板在腹板附近先開裂。

4.3 分析結論

（1）承載能力極限狀態組合1中，20 m預應力混凝土空心板和30 m預應力混凝土空心板跨中主梁截面最大內力分別已經超出最大抗力8.7%和34.5%，承載能力極限狀態組合2中，跨中主梁截面最大內力分別已經超出最大抗力8.6%和23.5%。

（2）根據對橋梁結構驗算結果的整理與分析，運營階段的橋梁結構處于極限承載狀態，影響橋梁的安全性和正常使用，處于危險狀態。

（3）對比歷年橋檢報告，預應力混凝土空心板裂縫發展較為迅速，預應力混凝土空心板的保護層厚度普遍不滿足設計及規范要求，鋼筋銹蝕嚴重。2016年養護管理部門曾對上部結構第10跨1#、2#、3#、4#和5#預應力混凝土空心板進行換板處理。舊橋上部結構預應力混凝土空心板為大空板，鉸縫為淺鉸縫，普遍存在著單板受力的情況。

（4）綜上所述，舊橋上部結構病害嚴重，如不進行加固處理，裂縫數量及寬度將會繼續發展，影響橋梁的安全性和正常使用。

4.4 加固措施

根據20 m和30 m預應力混凝土空心板結構驗算結果，結合上部結構病害成因分析，從養護管理角度出發，舊橋上部結構已經無法滿足設計規范要求，存在較大安全隱患。為保證橋梁結構安全，滿足后續繼續使用要求，對大沖南橋舊橋上部結構進行拆除重建，分別采用20 m和30 m預應力混凝土小箱梁結構代替20 m和30 m預應力混凝土空心板結構[8]。加固前后上部結構各構件恒重對比如表7所示。

4.5 換梁后下部結構驗算

對大沖南橋舊橋上部結構進行拆除重建后，上部結構恒重發生變化，應對換梁后的蓋梁及樁基礎進行驗算。

4.5.1 蓋梁驗算

采用橋梁博士軟件分別對橋臺蓋梁、引橋蓋梁、過渡墩蓋梁和主橋蓋梁進行驗算，驗算結果表明：上部結構由預應力混凝土空心板換成預應力混凝土小箱梁后，蓋梁受力由較為分散的均布力變為集中應力，截面荷載效應組合值增大。除橋臺蓋梁的截面極限承載能力值能夠達到規范要求外，引橋蓋梁、過渡墩蓋梁及主橋蓋梁的截面極限承載能力值均不能滿足規范要求，主橋蓋梁荷載效應剪力值超過抗力值的58%，抗剪能力嚴重不足，影響橋梁的安全性和正常使用。為保證橋梁結構安全，滿足后續繼續使用要求，從養護管理角度出發，應拆除重建引橋、過渡墩及主橋的蓋梁。

4.5.2 樁基驗算

（1）樁基加固前驗算：上部結構由預應力混凝土空心板換成預應力混凝土小箱梁且重做蓋梁后，對全橋各墩的樁基進行驗算，驗算樁基時均取最不利的樁基。樁基計算表如表8所示。

表8 樁基計算表

結論：5#墩的1#和3#樁基的單樁承載力不滿足規范要求，最大軸向力超出承載力容許值的43.4%，其余的樁基計算均滿足規范要求，需對5#墩進行加樁處理，在左右幅蓋梁的中點處加設一根樁基。

（2）樁基加固后驗算如表9所示。

表9 樁基加固處理后樁基計算表

結論：5#墩加固后，經樁基計算得出加樁加固后5#墩的樁基的單樁承載力滿足規范要求。

5 結語

隨著使用年限的增長，大沖南橋橋梁病害日漸增多，對其承載能力和耐久性產生不利影響。隨著桂和路交通量日益增大，大沖南橋所承受的車輛荷載作用逐漸增加，對橋梁養護管理工作帶來更大挑戰。根據大沖南橋該次養護管理加固模式，可以探討出關于預應力混凝土大空心板上部結構的橋梁后期養護管理模式，為橋梁養護管理部門積累更豐富的養護管理經驗。