汕頭海灣大橋加勁梁與過渡梁結合處病害綜合處治技術

摘要 汕頭海灣大橋主橋加勁梁與過渡梁結合部位存在支撐病害及橋面鋪裝病害，文章分析了病害成因，結合計算分析確定了綜合處治方案，實踐證明病害處治實施效果良好，達到了設計的預期目的。主要結論有：（1）加勁梁與過渡梁結合處相對轉角變形較大，且過渡梁橋面板端部采用剛性支承，導致該部位病害產生。（2）通過將橋面板剛性支撐改造為多點彈性支撐，提高該部位變形協調能力以及緩沖性能，有效解決過渡梁橋面板支撐處病害。（3）采用UHPC橋面連續構造，并設置合理的鋪裝無黏結區，有效改善行車平順度，解決加勁梁與過渡梁結合處橋面鋪裝病害。

關鍵詞 汕頭海灣大橋；加勁梁與過渡梁結合處；橋面板支撐改造；過渡梁鋪裝改造；UHPC

中圖分類號 U441 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）04-0060-04

0 引言

汕頭海灣大橋是我國第一座現代大跨度懸索橋，于1995年12月28日建成通車。主橋結構形式為三跨雙鉸懸索橋，全長760 m，橋面寬24.2 m，跨徑組合為（154+452+154）m，總體布置如圖1所示^[1]。

加勁梁采用流線型單箱三室預應力混凝土薄壁箱形截面。原設計荷載為汽車—超20級，驗算荷載為掛車-120^[2-3]。經過多年運營，大橋加勁梁與過渡梁結合處產生了明顯病害。

1 過渡梁構造及特點

主塔部位設置7 m長的過渡梁分別與邊跨及中跨加勁梁連接，過渡梁由鋼桁架及混凝土橋面板組成，其構造如圖2所示。過渡梁豎向剛度很小，而水平剛度相對較大，使加勁梁在豎向實現雙鉸邊界的同時，又在水平方向形成弱的連續^[4]。過渡梁鋼桁架縱梁兩端通過φ32預應力粗鋼筋與加勁梁的端橫梁錨固連接。橫梁設在縱梁中部，兩端支承于主塔內側牛腿上，其間設置側向及豎向支座。縱橫梁翼緣通過剪力釘與橋面板連接。

過渡梁橋面板采用C60混凝土，厚度20 cm，順橋向兩端直接支承在加勁梁的端橫梁封錨混凝土上，如圖3所示。橋面板端部設置縱向連續鋼筋與加勁梁端橫梁連接，利用橋面板剛度較小的特點適應兩端加勁梁的轉動變形，實現邊跨與中跨間橋面的勻順過渡^[4]。

2 加勁梁與過渡梁結合處病害

2.1 病害情況

橋梁經過長時間運營，過渡梁橋面板端部支撐發生脫空，該部位橋面鋪裝也產生破損。后期維修中，對支撐處封錨混凝土局部鑿除，并填充鋼墊塊。近年檢查發現，該部位存在以下病害：

（1）過渡梁橋面板端部支撐處普遍存在鋼墊塊松動、銹蝕以及支撐混凝土破損病害。過渡梁橋面板與鋼墊塊支撐脫空。過渡梁橋面板與加勁梁間縱向連續鋼筋銹蝕、斷裂，接縫兩側混凝土多處破損，如圖4所示。

（2）加勁梁與過渡梁結合處橋面鋪裝開裂破損車輛行駛至該部位時有明顯的跳車現象。橋面雨水下滲，通過接縫流至橋面板底部，導致支撐鋼墊塊、預應力錨頭及鋼桁架銹蝕加劇，如圖5所示。

2.2 病害成因分析

（1）橋梁已運營多年，且所處海洋大氣環境腐蝕性較強，原先設置于過渡梁橋面板和加勁梁間的連續鋼筋均已銹蝕斷裂，造成橋面板與加勁梁結合處轉角變形不連續。

（2）過渡梁與加勁梁間約束關系接近鉸接，過渡梁橋面板與加勁梁間為剛性支撐，汽車荷載作用下，結合處產生反復變化的轉角變形，支撐部位產生磨損、破碎，引起鋼墊塊松動。

（3）過渡梁與加勁梁結合處相對轉角變形較大，引起橋面鋪裝較高的應力狀態以及跳車現象，加上橋面板底部鋼墊塊的松動脫空，進一步增大了車輛的沖擊作用，加劇了橋面鋪裝的破壞。

（4）支撐病害與橋面病害互相影響，形成病害循環。

3 綜合處治思路

3.1 過渡梁橋面板端部支撐病害處治

將原鋼墊塊及支撐混凝土拆除后，在橫橋向設置多個板式橡膠支座形成多點彈性支撐。利用橡膠支座的彈性特點，以適應過渡梁橋面板與加勁梁間的相對轉角變形，并對車輛沖擊起到一定的緩沖效果。

3.2 加勁梁與過渡梁結合處鋪裝病害處治

（1）在過渡梁與加勁梁結合處采用橋面連續構造，提高行車平順度，改善跳車現象。

（2）加勁梁與過渡梁結合處相對轉角變形大，鋪裝承受較高的彎曲拉應力，超高性能混凝土（以下簡稱UHPC）具有高強度、高韌性、高耐久性、低收縮的特點^[5]，已在多座橋梁中得到應用^[6-10]，該次改造使用UHPC作為橋面連續材料。

（3）在過渡梁橋面板與加勁梁接縫兩側一定范圍內，基面與UHPC鋪裝層間設置隔離層，使該范圍內基面與UHPC層間無黏結作用（下文簡稱無黏結范圍），以減小結合處橋面鋪裝的約束，降低鋪裝的局部應力集中。

（4）為保持全橋外觀統一，過渡梁鋪裝下層采用5 cm UHPC，面層采用3 cm SMA-10瀝青鋪裝。

4 計算分析

4.1 計算模型

建立主橋結構計算模型，如圖6所示。主塔、加勁梁及過渡梁均采用梁單元建立，主纜及吊桿采用索單元建立。加勁梁與過渡梁之間的連接采用彈性連接模擬。采用梁單元模擬UHPC鋪裝層，模型中UHPC材料彈性模量取44 GPa，泊松比0.2^[8]。對于加勁梁與過渡梁結合處兩側無黏結區域，模型中采用只受壓單元模擬。對于橋面植筋區域，模型中采用剛性連接模擬。

4.2 UHPC鋪裝層應力分析

無黏結范圍順橋向取2 m（加勁梁與過渡梁橋面板接縫兩側各1 m）時，接縫兩側各3 m范圍鋪裝彎曲應力分布如圖7所示。可以看出，鋪裝層拉應力峰值位于接縫位置，邊跨側接縫處鋪裝拉應力峰值約為12 MPa，中跨側接縫處鋪裝拉應力峰值約為14 MPa。

鋪裝無黏結范圍分別取0.5 m、1 m、2 m、3 m、4 m進行計算，得到鋪裝拉應力峰值隨無黏結范圍的變化曲線，如圖8所示。可以看出，無黏結范圍較小時，鋪裝拉應力峰值隨無黏結范圍增大而迅速減小，無黏結范圍達到2 m后，鋪裝拉應力峰值不再隨無黏結范圍增大而減小。無黏結范圍為2 m時，邊跨側鋪裝拉應力峰值為12 MPa，中跨側鋪裝拉應力峰值為14 MPa，低于UHPC彎拉強度，滿足設計要求。因此確定鋪裝無黏結范圍為加勁梁與過渡梁橋面板接縫兩側各1 m。

5 綜合處治方案

5.1 過渡梁橋面板支撐改造

（1）對過渡梁橋面板端部的舊支撐構造（鋼墊塊及支撐混凝土）進行拆除。

（2）舊支撐拆除后，在過渡梁橋面板端部底面粘貼鋼板，鋼板厚度8 mm。粘貼鋼板目的是為支座提供一個平整的上支承面。

（3）預埋件由8 mm厚鋼墊板及φ16環形錨固筋組成，鋼墊板上放置板式橡膠支座，為支座提供平整的下支承面。支座周邊設置限位角鋼，防止支座后期產生滑移。

（4）預埋件及支座安裝完成后，在預埋件環形錨固筋內穿入橫橋向鋼筋，在原支撐部位立模，最后澆筑高強無收縮灌漿料，形成新的橋面板支撐構造，如圖9所示^[11]。

5.2 過渡梁橋面鋪裝改造

（1）鑿除過渡梁及兩側加勁梁5 m范圍的橋面鋪裝（原設計厚度8 cm）。

（2）基面處理后，在過渡梁橋面板與加勁梁的接縫兩側各1 m范圍內粘貼高強玻璃纖維布3層，粘貼完成后表面涂刷隔離劑。

（3）橋面植筋及鋼筋網安裝，過渡梁橋面板與加勁梁接縫兩側各1.5 m范圍外進行植筋，鋪設鋼筋網。

（4）基面鑿毛清理后，噴灑界面劑，連續攤鋪5 cm厚UHPC鋪裝層。

（5）UHPC養護7 d后，表面進行拋丸處理，基面清潔后，噴灑防水黏結層，攤鋪3 cm 厚SMA-10瀝青層，完成過渡梁橋面鋪裝改造，如圖10所示^[11]。

5.3 綜合處治效果

處治方案實施后，原病害部位總體狀況良好，加勁梁與過渡梁結合處橋面鋪裝線形平順，無跳車現象，無橫向裂縫及破損，過渡梁橋面板底部支撐狀態良好，無異常聲響，無脫空、松動、破損及滲水情況，如圖11所示。

6 結論

該文對病害成因進行了分析，提出了綜合處治思路，結合計算分析確定了綜合處治方案。處治方案實施后總體效果良好，達到了預期的處治效果。主要結論如下：

（1）加勁梁與過渡梁結合處相對轉角變形較大以及過渡梁橋面板的剛性支承方式是該部位病害的主要成因，病害產生相互影響，相互激勵，形成病害循環。

（2）對于過渡梁橋面板支撐病害，采用將原剛性支撐改造為多支座彈性支撐的方法，以適應過渡梁橋面板與加勁梁間的相對轉角變形，并對車輛沖擊作用起到緩沖效果。

（3）對于結合處橋面鋪裝病害，采用彎拉強度高的UHPC作為橋面連續構造的主要材料，以滿足受力要求，改善行車平順度，降低車輛沖擊作用。同時，通過在結合部位設置合理范圍的鋪裝無黏結區域，有效降低了鋪裝的局部應力集中。

參考文獻

[1]韓大建， 馬文田， 石國彬. 我國現代懸索橋的特色、創新與展望[J]. 華南理工大學學報（自然科學版）， 1999（11）： 57-67.

[2]蘇佳樂， 劉華， 陽春龍. 廣東汕頭海灣大橋吊索更換計算分析[J]. 中外公路， 2018（1）： 128-133.

[3]王江鴻， 王修山， 陽春龍. 汕頭海灣大橋試驗吊索更換工程施工和監控[J]. 公路與汽運， 2015（6）： 172-177.

[4]楊進. 汕頭海灣大橋主孔懸索橋設計構思及新技術因素[C]//中國土木工程學會橋梁及結構工程學會， 汕頭海灣大橋公司. 中國土木工程學會橋梁及結構工程學會第11屆年會論文集. 1994： 17.

[5]Russell H G， Graybeal B A. Ultra-High Performance Concrete： A State-of-the-Art Report for the Bridge Community[R]. McLean， Virginia： 2013.

[6]陳寶春， 季韜， 黃卿維， 等. 超高性能混凝土研究綜述[J]. 建筑科學與工程學報， 2014（3）： 1-24.

[7]杜任遠， 黃卿維， 陳寶春. 活性粉末混凝土橋梁應用與研究[J]. 世界橋梁， 2013（1）： 69-74.

[8]田啟賢， 高立強， 周尚猛. 超高性能混凝土—鋼正交異性板組合橋面受力性能研究[J]. 橋梁建設， 2017（3）： 13-18.

[9]陳露一. 蒙華鐵路洞庭湖特大橋鋼—超高性能混凝土組合橋面鋪裝順利完成[J]. 世界橋梁， 2018（3）： 96-97.

[10]鄧鳴， 張建仁， 王蕊， 等. UHPC鋪裝加固斜拉橋正交異性鋼橋面板[J]. 長安大學學報（自然科學版）， 2018（1）： 67-74.

[11]中鐵大橋勘測設計院集團有限公司. 廣東汕頭海灣大橋主橋橋面大修及過渡梁處治工程（二期-過渡梁及橋面板維修）[Z]. 2017.

收稿日期：2023-12-01

作者簡介：陳祥（1991—），男，碩士研究生，工程師，研究方向：橋梁結構檢測、監測、維修加固。