鋼混疊合連續梁橋提載與抗震加固技術研究

張雨田

（武漢二航路橋特種工程有限責任公司，武漢 430071）

1 工程概況

哥斯達黎加32 號公路Rio Chirripo 大橋建于19 世紀70年代，橋梁總長430.9 m，跨徑布置為15.86 m+59.39 m+67 m+2×73.2 m+67 m+59.39 m+15.86 m。橋寬10.32 m，設雙向2車道和人行道。上部結構為4 片間距2.5 m 的I 形鋼梁與厚187 mm 的鋼筋混凝土橋面板組成的疊合梁。下部結構為鋼筋混凝土板式橋墩、輕型橋臺、H 型鋼樁基礎。原設計活荷載等級為HS20-44，未考慮地震荷載。

檢測顯示，該橋第8 跨在1991 年利蒙大地震期間落梁，被回填為道路，以維持橋梁運營。此外，橋梁存在橋面板開裂、鋼梁橫向移位、斜撐變形、搖軸支座傾斜、鋼結構腐蝕、蓋梁破損開裂等病害。

32 號公路修復與擴建項目要求對該橋進行提載和抗震加固，將活荷載等級提高到HL-93（活載提高約25%），橋面由雙向2 車道通行改為單向2 車道通行，改造后僅在一側設人行道，橋面總寬調整為10.6 m，恢復原設計橋長，并在橋面設瀝青混凝土橋面鋪裝。

根據上述要求，除檢測報告所述外觀病害外，舊橋還存在橋面板厚度不足（規范要求203 mm）、主梁承載能力不足、蓋梁承載能力不足、抗震性能不滿足規范要求等問題，需通過研究加以解決。

2 橋梁提載加固方案

2.1 常規病害整治

鋼梁在地震作用下發生瞬時位移，地震后受搖軸支座約束不能恢復，在繼續運營近30 年后，一部分位移已形成永久塑性變形，不能恢復。加固時，可采用千斤頂在墩頂對主梁進行橫向頂推糾偏，糾正彈性范圍內的位移。

研究發現，垮塌的邊跨橋臺處，地基土存在輕微液化現象，原設計H 型鋼樁埋深約16 m，地震時橋臺基礎下沉，在水平撞擊力作用下臺身破壞并發生水平位移，導致邊跨落梁。恢復邊跨時仍采用相同的跨徑，為避免地基液化的影響，采用鉆孔灌注樁，樁長穿透液化層，上部結構采用新鋼梁予以恢復。

鋼結構表面應重做長效型防腐涂裝。對其他病害應按規定工藝進行處置。

2.2 橋面板加固

該橋橋面板縱、橫向裂縫病害嚴重，現狀橋面板厚度不滿足規范JTG D60—2015《公路橋涵設計通用規范》關于設置防撞護欄的懸臂板最小厚度要求（203 mm），且現狀1.17%的橫坡不滿足項目約2%橫坡的技術要求，綜合考慮后決定將橋面板拆除重建為厚220 mm 的鋼筋混凝土橋面板。為避免增加過多恒載，橋面板仍采用雙向橫坡，僅根據新車道布置調整路拱中心位置。

2.3 連續跨鋼主梁加固

該橋上部結構原設計承載能力富余量極低，現狀上部結構不能滿足提載至HL-93 的要求。新橋面板加寬、加厚及橋面加鋪瀝青混凝土導致橋面系恒載增加49.0%，上部結構總恒載增加29.9%，在此基礎上活載增加約25%。針對連續梁提出了原梁頂增高截面、原梁底增高截面、跨中增設橋墩、新加鋼主梁幾種方案。

原梁頂增高截面方案，是在原鋼梁頂面用膠栓連接將一個新的工字形截面固定在梁頂，以增加鋼梁高度，再重做剪力鍵和橋面板。原鋼梁腹板在跨中和中間支點處高度分別為2 286 mm 和2 896 mm，由于原鋼梁應力是多次疊加而來，經計算，新鋼梁加高500 mm 時，對原鋼梁應力的改善效果不明顯，繼續增加梁高意義不大，而橋頭引道改造的工程量顯著增加。

原梁底增高截面方案與梁頂增高截面方案的思路與流程基本相同，計算顯示，梁底增高截面對原鋼梁正彎矩區應力改善效果較梁頂增高截面好，對原梁負彎矩區應力改善的效果較梁頂增高截面的差。而梁底作業難度更大。

跨中增設橋墩方案將原梁正彎矩區改為負彎矩區，能有效降低鋼梁正負彎矩及剪力峰值，但新增下部結構工程量較大，新增下部結構對橋址處水文計算造成不利影響，且考慮到新增橋墩受載后易發生基礎沉降，難以確保新增橋墩按設計要求參與承受上部荷載。

新增鋼主梁方案是在原有4 片鋼梁的基礎上，再增加2片與原鋼梁截面尺寸一致的新鋼梁，并重做橫向聯系。6 片鋼梁橫橋向間距為1.25 m、1.25 m、2.5 m、1.25 m、1.25 m。為避免負彎矩區橋面板在運營階段開裂，采用鋼梁與橋面板在正彎矩區疊合、負彎矩區不疊合的方案，為此，在中間墩頂及其兩側16～20 m 處各設一道2 cm 寬的橡膠條伸縮縫，在此范圍內鋼梁頂面不設剪力鍵。該方案主梁承載力提高約50%，與上部結構恒載、活載效應增量和相當，加固前后鋼梁使用階段應力變化不大。

經技術、造價、工期等各方面比選后，最終選擇了新增鋼主梁方案作為該橋上部結構加固方案。簡支跨鋼梁無須加固即可滿足規范要求。

2.4 下部結構加固

下部結構加固應結合抗震綜合考慮。圓端形板式橋墩橫橋向尺寸4 m，縱向尺寸有1.2 m 和1.5 m 兩種，蓋梁橫向兩側各有2.45 m 長懸臂，因上部結構恒、活載增加，并考慮豎向地震力作用，蓋梁抗彎承載力僅有荷載效應的70%。綜合考慮支座更換導致的墩頂標高變化，在蓋梁頂面增厚截面23 cm 或24 cm，在蓋梁前后兩面各增厚20 cm。蓋梁加固在橋面系拆除后進行。

3 橋梁抗震加固方案

3.1 抗震模式選擇

該橋原設計未考慮地震荷載，墩、臺、基礎配筋率均較低，墩身（不含蓋梁）高9.4～10 m，在泥面以下埋深約4 m。按剛性抗震進行計算時，各橋墩承載力不滿足要求，需增大截面加固。橋梁跨越Chirripo 河，河槽平坦、水面寬廣、流量大、存在暴漲暴落現象，河床遍布卵石、塊石，墩身在泥面下埋深較大，開挖困難。從經濟、安全、工期等角度分析，排除了剛性抗震方案。

連續梁采用減隔震方案時，分別按高阻尼橡膠支座、鉛芯橡膠支座、雙曲面摩擦擺支座進行了支座選型與試算。結果顯示，常規尺寸的高阻尼橡膠支座、摩擦擺支座無法滿足該橋抗震需求。用摩擦擺支座做詳細分析，設定支座主要技術參數如下：等效曲面半徑2.51 m，摩擦系數0.06，極限位移380 mm。得最大位移量234.1 mm，滿足要求。

簡支鋼梁采用高50 mm 的普通板式橡膠支座，經計算可滿足抗震需求。

3.2 抗震構造措施

原橋在橋臺處設6 c m 伸縮縫、在1 號、7 號橋墩處設12 cm 伸縮縫，鋼梁端頭間距14 cm。根據抗震計算結果，1 號、7 號墩處鋼梁間隙不能滿足地震作用下的位移需求，采取措施在1 號、7 號墩頂布置伸縮量大于234.4 mm 的伸縮縫既不經濟又難以實施。最終采取將簡支梁縱向平移2 cm，在兩橋臺處設4 cm 伸縮縫，在連續梁端部設置伸縮量16 cm 的伸縮縫的方案，該方案在設計地震作用下，伸縮縫將被破壞，更換伸縮縫后橋梁可繼續正常使用。

在每一個墩臺處，均對鋼梁增設了橫向防落梁擋塊，橫向防落梁擋塊采用鋼牛腿的形式，通過植入錨栓固定在墩臺蓋梁頂面，作為支座破壞后的保護措施，不考慮擋塊向下部結構傳遞水平荷載。一聯主梁在每個橋墩處僅設置兩個橫向防落梁擋塊。簡支梁兩端增設了縱向防落梁擋塊，擋塊焊接在鋼梁底面。

4 橋梁加固施工

4.1 工藝流程

Rio Chirripo 大橋加固施工在其上游新橋建成通車后進行。

主要工藝流程如下：施工準備—新鋼梁分段加工、新支座等加工—舊鋼梁防腐涂裝—防撞護欄、人行道切割拆除—左、右兩側各1/3 橋面板拆除—鋼梁頂推復位—邊梁臨時固結及原橫向聯系解除—新增鋼梁分段安裝—中間1/3 橋面板拆除—臨時固結措施拆除—新橫向聯系安裝—支座更換—蓋梁加固—新橋面板及橋面附屬設施安裝。

4.2 施工關鍵技術

4.2.1 鋼梁加工

鋼結構制作和安裝精度要求高，新增鋼結構及連接板制造安排在專業鋼結構加工廠內進行。應注意以下要點：（1）采取預補償量的零件下料工藝措施；（2）孔群的制造采用模板鉆孔工藝；（3）大縱梁、小縱梁、梁加強構件在工廠專用生產線上生產；（4）鋼主梁的下料與加工應考慮施工預拱度；（5）鋼結構的焊接應通過藥芯焊絲二氧化碳氣體保護進行自主焊接。

4.2.2 鋼梁安裝

鋼梁安裝過程是該橋加固過程中風險最高的階段，如何控制施工過程中新舊結構穩定，以及確保新結構安裝線形與安裝進度是項目重難點。做好鋼梁安裝，應注意以下要點：（1）鋼梁安裝應從墩頂向兩端逐段對稱進行，在墩頂做好臨時固結，在懸臂段用臨時鋼支撐做好橫向和豎向限位措施；（2）鋼梁在自重及二期恒載作用下彈性變形大，拼裝過程應做好施工監控，嚴格按照設計預拱度進行節段定位拼裝，發現偏差及時糾正；（3）為確保橫向初始應力為零，應在全部鋼梁安裝完成且橋面板全部拆除后再開始橫向聯系安裝。

4.2.3 支座更換

對于多跨連續結構進行同步頂升，控制各頂升點的同步性是施工難點，各頂升點位差異太大容易造成梁體本身或者橫向聯系的損傷。由于同步頂升涉及多個千斤頂的同步控制，對設備、操作人員的技術要求均較高。根據本橋施工實際，總結更換減隔震支座技術要點如下：（1）安設千斤頂和臨時支撐時，應清理蓋梁頂面廢棄物，并對布設千斤頂和臨時支護處進行找平修補，確保千斤頂安裝水平；（2）千斤頂安裝完成后，必須進行試頂，試頂的關鍵目的是排除支護自身的彈性變形，試頂升無異常后進行整體頂升；梁體頂升施工中，嚴格控制同一墩上各梁的高差在±0.5 mm 以內，整體頂升高度控制在5 mm，待鋼梁和支座脫離即可；（3）梁體頂起到位后，落梁于臨時支撐上，拆除舊支座；（4）嚴格按設計要求安裝新支座，注意安裝位置精確[1]。

5 結語

舊橋加固是一項邊界復雜、技術難度大、施工風險高的工程，同時對橋梁進行提載和抗震加固的工程案例極少。I 形截面鋼混疊合連續梁橋更是因其特殊的結構形式和受力特點，無法像常規橋梁一樣采取增大截面、增設預應力等加固方式，導致連續梁負彎矩區混凝土開裂問題是這類橋梁的通病，一直未能很好解決。

哥斯達黎加32 號公路Rio Chirripo 大橋加固項目充分汲取了原結構設計的優秀理念，采取新增鋼梁的上部結構提載加固方案，在連續梁墩頂及兩側設伸縮縫按非疊合梁設計，避免墩頂負彎矩區混凝土開裂問題。采用雙曲面摩擦擺支座進行減隔震設計，避免下部結構改造。考慮伸縮縫為地震中可破壞構件，避免因伸縮縫寬度不足而挪動主梁。該方案安全、環保、經濟、高效，是一種有效的橋梁提載、抗震加固方法，具有重要的借鑒意義。