公路舊橋的改造技術

張明，王國保 （南京市市政設計研究院有限責任公司合肥分公司，安徽 合肥 230000）

1 合馬路撮鎮橋（多跨簡支T梁）

1.1 老橋設計概況

合馬路雙幅式撮鎮橋位于105 省道上。北半幅橋為3～16.8m 的簡支T 梁，橋面全寬9m，凈寬7.1m，樁柱式橋墩，建成日期不詳。南半幅橋為合馬路改建后加的，建于1991 年，5～16.8m 簡支T梁，橋面全寬9m，凈寬7m，樁柱式橋墩，扶壁式橋臺，全長88.5m，設計荷載等級為汽-20級。

1.2 老橋現狀

橋面出現大面積網狀裂縫，破碎，最明顯的是沿T 梁方向的縱向裂縫。由于主梁T 型梁的橫向連接破壞殆盡，整個上部結構被分割成各自獨立的多個單片梁，導致T 梁間不能整體受力，每片梁獨自承擔全部活載軸載，從而在荷載作用下，T 梁之間變形不協調一致，整個橋面撓度曲面出現錯位、突變，必然引起振動、跳車現象。如不及時處理，嚴重影響該橋的正常使用，甚至導致結構的承載力不夠而破壞。

1.3 老橋改造方案設計要點

通過對該橋的檢查及分析計算，尚未發現任何墩臺基礎出現病害的跡象，且原設計荷載等級為汽-20，掛-100級，滿足所在合馬路的現行公路等級要求，所以此次改造加固主要針對上部結構，其中重點是加強橫向聯接，它是導致本橋出現病害的根本原因。

1.3.1T梁的加固

鑒于此橋在整體橫向聯接破壞后，又通車多日，活載橫向分布消失，每片梁獨自承擔活載軸載作用力，即便原設計荷載汽-20，但在超重車的輪壓及沖擊力作用下，撓度變形仍較大，再參照老橋設計圖紙，按承載能力極限狀態和正常使用極限狀態進行結構驗算，發現主梁受拉區受力鋼筋配置率偏小，承載能力安全系數儲備不足；截面尺寸也偏小，抗彎剛度不夠，變形較大，影響正常使用。針對以上缺陷，經綜合考慮，選用在T 梁梁底粘貼鋼板的方法加固主梁。粘貼鋼板不僅可以增加T 梁受拉區受力主筋，提高承載能力，還可以增大T 梁的截面抗彎剛度，減小撓度變形，從而滿足正常使用要求。

同時須注意，鋼板粘貼必須和T 梁緊密結合，兩者整體受力，才能有效地發揮鋼板的作用。故粘貼鋼板前，先將梁底混凝土浮皮清除、打磨平、涂上環氧樹脂，再貼上鋼板，最后錨噴水泥灰漿于鋼板表面以防銹。

1.3.2橫向聯接的加固

該橋產生病害的主要原因就是T 梁間的橫向聯接破壞，故而是此次加固的重點所在。原設計橫向聯接包括T 梁的橫隔梁鋼板聯接和翼緣板的企口鉸聯接，但是從現場檢測來看，可能是施工原因，橫隔梁間雖按設計設置了預埋鋼板，卻沒有焊接蓋接鋼板，只用寥寥幾根細鋼筋聯接；翼緣板聯接更是薄弱，企口鉸聯接的細鋼筋大部分斷裂，混凝土全部脫落。最終導致整個上部結構被分割成沿梁板方向塊狀結構，彼此獨立。

此次改造，橫隔梁仍采用鋼板式接頭進行橫向聯接，充分利用原有的預埋鋼板，補焊接上蓋接鋼板。另外，再額外加做橫隔梁頂部的聯接，采用環氧樹脂膠粘貼鋼板的方法，以加強橫隔梁肋寬較薄（只有12cm）、聯接薄弱的缺陷。

對于T 梁翼緣板的橫向聯接，擬訂了兩種設計方案：①鋼板聯接；②濕接。

通過比較，采用鋼板聯接，原構件沒用預埋鋼板，蓋接鋼板無法焊接，用膠粘貼或錨栓錨固，剛性性能都不理想。

選用方案②濕接，先鑿除接縫兩側翼緣板端混凝土各30cm，保留鋼筋，再綁扎濕接鋼筋網和翼緣板鋼筋成一整體，最后整體現澆混凝土。既消除了翼緣板的缺陷，又最大限度地加強了橫向的剛性聯接，從根本上消除了此橋存在的最大病害。

經綜合考慮安全、適用、技術經濟性，最后確定使用方案②濕接。

1.3.3橋面鋪裝

由于T 梁的橫向聯接破壞，橋面鋪裝層連同行車道板（翼緣板）被分割成縱向塊狀結構，在重車沖擊碾壓下，主梁發生較大的撓度變形，再加上鋪裝層和行車道板結合不好，不能整體受力，鋪裝層如同作用在彈性墊層上，故發生了大面積混凝土開裂、破碎、甚至脫落，局部出現坑槽。

從養護部門獲悉，此橋面鋪裝修補多次，采用的普通鋼筋混凝土鋪裝層，均不能長期有效地改善橋面狀況。針對普通鋼筋混凝土的不足，結合考慮此橋較薄弱的橫向聯接，選擇采用了鋼纖維混凝土橋面鋪裝，其高強的抗沖擊、抗裂性能和抗壓、抗折強度不僅滿足高等級的行車要求，又一次加強了橫向剛度。

其他橋面設施如伸縮縫、泄水管等按新的規范要求修復完善。

1.4 改造效果評價

從改造后使用效果來看，快速行車已沒有振動、跳車現象，經靜載實驗檢測和理論計算，主梁的撓度變形和承載能力均能滿足要求，證明此次改造方案設計是行之有效的，外加施工期限也很短，經費較少。開放通車至今，跟蹤觀測未發現新老病害，從而取得了顯著的社會效果和經濟效益。

2 合安路上派河大橋（預應力混凝土桁架單懸臂梁）

2.1 老橋設計概況

合安路上派河大橋位于206 國道合肥至安慶公路上，跨越派河新改河道，是一座兩端采用預應力混凝土桁架單懸臂梁、中孔采用簡支掛梁組合而成的三跨桁架單懸臂梁橋。

本橋采用上、下行分離式雙幅橋，單幅橋行車道凈寬7.50m，外邊側設置1.50m 寬的人行道，雙幅橋之間設置2.50m 寬的分離帶。橋上部為預應力混凝土單懸臂梁，人字型桁架在中墩處各懸出30m，一端固定在岸墩拉壓支座上，自由端設掛孔，組成30+70+30m 的橋跨，橋下部為重力式橋臺、岸墩及樁柱式中墩，橋全長2x139.75m。設計荷載為汽-20，驗算荷載掛-100。

2.2 大橋的病害檢查情況

2.2.1 掛孔大幅振動及橋面鋪裝、伸縮縫的破壞

此大橋最明顯病害的外部表現就是掛孔行車振動現象突出，掛孔橋面和懸臂端橋面振動錯位達2cm 多，嚴重影響到該橋的正常使用。橋面鋪裝在多處出現明顯縱橫向裂縫；在伸縮縫處網狀開裂，局部甚至出現混凝土剝落，導致伸縮縫脫落而失去作用。

2.2.2牛腿裂縫

掛孔承重結構是由6 根縱梁通過4根橫梁橫向聯結而成的梁格系結構，其中掛孔兩邊側縱梁為預應力主縱梁，通過其端部設置的牛腿，使掛孔掛在懸臂梁對應主縱梁的牛腿上。現場觀察，發現牛腿部位出現局部裂縫，掛孔梁牛腿內角點衍射的裂縫與水平方向約45°夾角，尤為明顯；懸臂梁牛腿無明顯縫隙，只支座處混凝土表面有龜裂狀裂紋。可能因牛腿鋼筋配置較密，不便于混凝土澆筑搗實，混凝土表面氣泡較多，麻面明顯。

2.2.3桁架拉桿及其它裂縫

本橋懸臂梁體系是由桁架桿系和連續梁體系組合而成的，其中桁架桿系又由上弦桿、腹桿、下弦桿組成，連續梁由兩根主縱梁、四根小縱梁和若干橫梁組成的梁格系，下弦桿即連續梁的主縱梁。通過現場觀測，發現部分桁架拉桿出現縱向或橫向裂縫，左半幅桁架上弦桿尤為明顯；連續梁在橫梁處橋面上（即負彎矩區）出現規則的橫向裂縫；另外，掛孔主縱梁（T 梁）局部也出現從腹板向上下延伸的豎向裂縫。

2.3 老橋改造方案設計

此橋原設計荷載等級為汽-20、掛-100 級。部分預應力混凝土構件出現裂縫，經計算，并非全部都是由荷載效應產生的，初步認定為結構約束變形及混凝土收縮等引起的變形裂縫，對結構的承載力強度不會產生太大影響。而此橋最主要病害為牛腿的缺陷引起整個掛孔的橋面嚴重破損、行車大幅振動，從而影響該橋的正常使用要求。故此次改造的重點、難點即為牛腿的改造加固及掛孔各組成部分的修復。

2.3.1掛孔橋面鋪裝、伸縮縫的修復

由于掛孔行車振動較大，在重車輪壓和沖擊作用下，橋面出現大面積龜裂狀縫隙；在伸縮縫處，振動錯位最大，受汽車沖擊作用也最大，因而此處橋面鋪裝混凝土破裂最嚴重，局部混凝土完全脫落，導致伸縮縫失穩，失去作用。

針對原有橋面鋪裝的不足，現采用C40 高強鋼纖維混凝土橋面鋪裝，鋼筋網用預制焊接的D8高強鋼筋網片，不設防水層，再在施工時做好控制，使新澆鋪裝層混凝土和主梁板聯結成一整體、共同受力，加上鋪裝層混凝土自身的高強抗折、抗裂性，從而大大改善了其使用性能。原有伸縮縫已脫落損壞，新鋪橋面鋪裝時，結合考慮伸縮縫的更換，采用高強的異型鋼梁仿毛勒伸縮縫。

2.3.2牛腿的改造

本橋為兩端采用單懸臂梁，中孔采用簡支掛梁組合而成的三跨懸臂梁橋。此種體系掛孔易形成牛腿處伸縮縫行車不平順、跳車現象，加上本橋牛腿油毛氈支座老化失效，造成掛孔梁牛腿直接剛性搭掛在懸臂梁牛腿上，加劇了掛孔的振動。在汽車輪壓的沖擊作用下，可使垂直荷載實際增加很多，造成牛腿混凝土內部微裂縫不斷發展，形成荷載效應裂縫。

牛腿截面開裂后，剛度減小，變形加大，反過來又加劇了伸縮縫的不平順，進而又增加了掛孔的行車振動，加劇了牛腿的受力開裂，如此長期反復惡性循環，最終會引起牛腿嚴重開裂而受力破壞。所以此次改造的核心問題就是牛腿的改造加固。對此，我們提出兩種改造方案：方案①鑿除原牛腿混凝土，重新澆筑高強牛腿混凝土；方案②將牛腿改造成端橫梁的形式來傳遞掛孔梁的支點反力。

方案①改造工程量較小，維持原掛梁通過兩個支點牛腿掛在懸臂梁上，受力明確，但原牛腿為預應力混凝土結構，鑿除重新澆筑牛腿混凝土，預應力筋束需先松弛再張拉，施工難度太大。

方案②把牛腿改造成端橫梁的形式，雖然工程量較大，但把原兩個集中受力的支點牛腿，改成均布受力的支點形式，大大分散原受損牛腿的負荷。另外，懸臂端橫梁原設計即為主梁受力結構，可以作為現成的端橫梁牛腿使用，此次改造只需將掛孔端橫隔板改造成端橫梁牛腿，和方案①相比，總的技術、經濟指標反而較好，故選用方案②改造原牛腿為端橫梁牛腿作為最終的設計方案。

選用方案②改造老橋牛腿，同時應注意修補老牛腿的缺陷，用環氧樹脂漿灌縫，防止縫隙使鋼筋裸露而生銹；粘貼鋼板于牛腿表面裂縫處，以加強因開裂而降低的牛腿不利截面的抗拉強度（偏心受拉）。

此方案的不足之處為改造后的牛腿作為連續梁結構，其傳遞力不明確。為保證牛腿的均布受力，防止部分支點受力集中，又造成掛孔行車振動過大，施工時應確保端橫梁牛腿的平整性，牛腿之間的傳力面上橫向等間距設置高強、高韌性的板式橡膠支座。

經過上述一系列的改造措施，牛腿的受力情況得到大大改善，通過后來的通車使用情況，也證明了其良好的使用性能。

2.3.3裂縫的修復

通過現場觀測和受力計算，桁架拉桿和掛孔主縱梁腹板裂縫可能為溫度變化和混凝土收縮變形等引起的約束變形裂縫，結構的承載力仍滿足要求，故只對裂縫用環氧樹脂作封縫處理，減小裂縫對構件的進一步影響。

2.3.4改造效果評價

本橋按照上述措施改造過后，完全消除影響正常使用的跳車、振動現象。另外，為進一步改善交通安全，增設了交通安全設施和交通管理設施，如標志、標牌，半幅橋間的隔離柵，橋面和兩端路面過渡的標線、分隔島等以引導車流，使該橋的通行更加順暢、舒適，總體社會、經濟效益更加突出。

以上為針對不同橋型、不同結構構件和不同破壞程度所作的不盡相同的改造設計方案，但總的設計原則不變，即以結構的承載能力和正常使用為設計原則，以技術、經濟指標為指導思想不變。

3 總結

針對上述二座橋的共同點即橋面鋪裝的過早、過快的開裂甚至混凝土破碎脫落的現象，提出兩點感性認識，待進一步理論研究及實踐證實。

①橋面鋪裝需是一層高強、耐剪切的結構層，防止車輛輪胎或履帶直接磨耗橋跨結構，保護其免受雨水浸蝕，并對車輛輪重的集中荷載起分散作用，一般不作受力計算。

現改進橋面鋪裝不僅要有上述功能，更要務必強調其和橋跨結構的整體性和共同受力性以及自身的高強、抗折、耐磨性。

橋面鋪裝鋪裝厚度較薄一般只有8～12cm，一旦其鋪裝層和行車道板不能緊密聯結成一整體，鋪裝層很容易形成一單獨受力結構層，受力形式復雜且多變，變形就不協調，就會可能成為變相的彎拉結構，在汽車輪壓及沖擊作用下，很容易造成受拉、剪切開裂。破壞時間遠遠早于當初設計的使用年限，造成橋面振動、跳車現象，影響整個橋梁的正常使用。

只有二者緊密結合成一整體，共同受力，鋪裝層才不會成為單獨的受力結構，只作為一受壓傳力構件，傳遞和分散汽車軸載傳來的集中力，而這恰恰是鋪裝層混凝土理想的受力狀態，充分發揮其高強的抗壓強度，從而真正起到傳力層、磨耗層、保護層等種種作用。

在實際應用中，可以通過盡可能增加鋪裝層鋼筋和行車道板鋼筋的聯接來加強二者整體聯結性，使鋪裝層成為行車道板的一部分。同時，橋面鋪裝自身強度也待進一步提高，可采用C40 及以上的高強混凝土；鋼筋采用廠家預制生產的鋼筋網片（D8、E8 帶肋鋼筋等），其規則的網格片狀焊接，不僅強度高，形狀規則，分散應力均勻，且施工簡便。

②橋面防水層一般設置在行車道鋪裝層下邊，將透過鋪裝層滲下的雨水匯集到排水設備（泄水管）排出。

現在常用的為貼式防水層，采用特殊的耐熱、耐蝕、抗滲、抗老化材料，設置在鋪裝層和行車道板之間。雖有防水作用，但卻把行車道和鋪裝層分開，和上述的橋面鋪裝改進措施恰恰相反，使鋪裝層似有彈性墊層，在車輪外荷載作用下，很容易起殼開裂。

一旦鋪裝層開裂，防水層本身很薄，材料再怎樣高強、抗裂，也會隨著鋪裝層裂縫的延伸而裂開，不僅起不到防水作用，反而加快橋面鋪裝的開裂破壞。所以結合橋面鋪裝，不額外設防水層，加強鋪裝層和行車道板的整體聯結，使鋪裝層正常使用、不開裂，只要鋪裝層使用防水混凝土，防雨水下滲，同樣能起到防水作用，且效果會更好。