崔海, 馮淑珍

(1.中鐵大橋(南京)橋隧診治有限公司, 江蘇 南京 210032; 2.南京鐵道職業(yè)技術學院)

1 概述

牛腿構造在中國漢代已經(jīng)出現(xiàn)，在古建筑中起到了裝飾和傳力的作用。中國的設計師巧妙地將牛腿構造引用到了橋梁結構中。在20世紀80年代中國建設的橋梁中，出現(xiàn)了較多的懸臂梁與掛梁、簡支體系等含有牛腿構造的橋梁結構。豐富了橋梁形式，推動了橋梁事業(yè)的發(fā)展。

梁牛腿受力及構造復雜，是設計和施工關注的重點和焦點。然而在運營中的另外一個問題也應當引起高度的重視，即梁牛腿構造中支座和伸縮裝置的養(yǎng)護問題。一方面，主梁上下牛腿之間通常采用板式橡膠支座，主梁間隙很小，一般不足10 cm;另一方面，主梁下牛腿兩側設置抗震擋塊，導致梁牛腿間的垃圾難以清理，支座及伸縮裝置維護困難。

近年來，梁牛腿構造在橋梁中應用較少，和管理維護困難有很大關系。但是早期建設的梁牛腿構造橋梁管養(yǎng)及維護也是管養(yǎng)單位不得不面對的問題。

2 項目概況

淮北市東崗樓立交橋為部分苜蓿葉加半定向匝道三層全互通立交。主線橋為預應力混凝土連續(xù)梁，聯(lián)間采用牛腿搭接構造，主線橋立面布置如圖1所示。

主線橋第二聯(lián)的聯(lián)端均設置為上牛腿；第三聯(lián)靠近第四聯(lián)側的端部設置上牛腿。牛腿搭接部位均設置板式橡膠支座，支座高度75 mm，橫橋向布置5塊，如圖2所示。

圖1 主線橋立面布置圖(單位:m)

圖2 改造前牛腿間板式橡膠支座布置(單位:cm)

橋梁運營多年后伸縮裝置止水帶破損，橋面垃圾在梁縫內(nèi)淤積。而橋梁管理單位為了保證行車舒適性，直接用瀝青混合料填塞梁端間隙。持續(xù)高溫作用下，主梁自由伸長受阻，梁體間相互擠壓現(xiàn)象顯著。

2012年監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)，主線橋固定墩根部普遍出現(xiàn)環(huán)向裂縫。其中17#橋墩開裂最為嚴重，根部受拉側最大裂縫寬度達到0.5 mm，受壓側混凝土出現(xiàn)了壓潰狀，混凝土剝落明顯，病害照片如圖3所示。

圖3 主線橋17#墩根部病害照片

監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示:匝道橋及主線橋梁伴隨有梁體的偏位。主線橋第三聯(lián)、第四聯(lián)偏位明顯，如圖4所示。主線橋第三聯(lián)9#～11#墩和13#～15#墩運動方向相反，近似于環(huán)繞固定墩(12#墩)發(fā)生了旋轉。同時從位移監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，H1～H4測點位移較大，H5、H6測點位移較小，基本上與距12#墩的距離成正比，偏位監(jiān)測數(shù)據(jù)如表1所示。

圖4 主線橋第三聯(lián)、第四聯(lián)平面偏位示意圖

表1 主線橋第三聯(lián)監(jiān)測測點位移統(tǒng)計

主線橋第四聯(lián)活動墩有整體向一側偏移的趨勢，并且這趨勢與17#墩病害的特征基本吻合。

橋梁結構安全受到嚴重影響，在2012年末該橋即限制通行大型車輛荷載，僅允許小型客車通行。

3 總體改造思路

改造設計的首要目標是保證橋梁結構安全，同時避免次生病害。目前橋梁構件已經(jīng)呈現(xiàn)一定的損傷，首先應分析其病害原因，再進行結構及構件加固。梁牛腿“L”接縫管養(yǎng)十分不方便，運營多年后梁縫內(nèi)垃圾堵塞導致梁體自由伸長受阻，在持續(xù)高溫作用下主梁發(fā)生了偏轉和推擠，最終導致橋墩根部開裂。因此必須對梁牛腿“L”接縫進行改造。具體細節(jié)設計中涉及到橋墩、梁端橫隔板等構件，應保證構件安全。

改造內(nèi)容中涉及到梁體糾偏處治方案。梁體糾偏具有施工難度大、控制嚴格、施工風險高、投資大等特點。目前檢測顯示主梁尚未觀測到裂縫等病害。同時，梁牛腿“L”接縫改造后，主梁間將不存在相互推擠現(xiàn)象。因此不進行梁體糾偏處治。

針對第四聯(lián)，固定橋墩損傷嚴重，已經(jīng)不能再承擔固定墩，對其加固后作為活動墩使用。對相鄰的活動墩進行增大截面加固后作為固定墩使用。

4 關鍵細節(jié)設計

依據(jù)梁牛腿“L”接縫改造為垂直“I”形接縫的思路，改造方案中涉及到固定墩、交界墩增大截面加固、交界墩墩頂縱橋向增設混凝土牛腿、主梁端橫隔板下方增設鋼結構橫梁以轉移支點位置、梁牛腿切割及修補等。改造設計總體布置圖如圖5所示。加固細部構造見圖6。

圖5 東崗樓立交橋改造總體布置圖(單位：m)

圖6 加固細部構造(單位：mm)

4.1 墩柱增大截面加固

增大截面加固主要針對每聯(lián)的固定墩和交界墩。固定墩根部已經(jīng)出現(xiàn)環(huán)向裂縫，必須加固以保證結構安全。尤其第四聯(lián)第16#墩由原來的活動墩改造為固定墩。經(jīng)檢算，圓形橋墩直徑由1.5 m增大至1.8 m后承載能力安全系數(shù)能提高到2.54。改造以后交界墩受力模式發(fā)生了較大改變。改造前是軸心受壓構件，即所有的支反力均作用于墩柱中心。改造后相鄰兩聯(lián)的反力均通過后期增加的牛腿承受并轉移到墩柱。支點中心到墩中心的距離為1.2 m。因此在恒載和活載作用下均會造成墩柱偏心受力。僅恒載作用下，支點反力分別為2 801、4 029 kN；在最大偏心工況下，支點反力分別為2 698、5 674 kN。最大的偏心距為447 mm。改造后將墩柱直徑由1.25 m增大至1.6 m，經(jīng)檢算為小偏心受壓構件，受力滿足要求。

4.2 墩頂增設混凝土牛腿

墩頂增設混凝土牛腿是改造設計的關鍵控制點。牛腿總長度3 600 mm，寬度1 600 mm，高度1 400 mm。相對于既有墩柱邊界，牛腿懸臂1 175 mm。牛腿內(nèi)配筋采用雙層鋼筋骨架，主筋直徑25 mm，通過后錨固技術植入既有墩柱內(nèi)，植入深度不小于25 mm(圖7)。

牛腿設計依據(jù)GB 50010-2010《混凝土結構設計規(guī)范》，以裂縫寬度和配筋率控制。

4.3 梁底鋼橫梁設計

改造后箱梁的支點由5個減少至2個；支座間距由2 m增大至5 m。主梁端橫隔板受力發(fā)生較大改變。端部橫隔梁處雖然配筋密集，但是改造后抗彎、抗剪承載能力及裂縫寬度驗算均不滿足規(guī)范要求?；诖嗽诙藱M隔板下方增設500 mm高鋼結構橫梁進行加固(圖8、9)。

圖7 墩頂牛腿骨架構造示意圖(單位：mm)

圖8 主梁底部鋼橫梁橫斷面布置(單位：cm)

圖9 鋼桁梁橫斷面構造圖(單位：mm)

鋼縱梁與既有混凝土箱梁之間通過植入錨栓及粘貼鋼板技術連接為整體共同受力。連接鋼板厚度20 mm，橫向設置5道腹板。

由于主梁橫隔板內(nèi)配筋密集，植入錨栓位置難以理論確定，在保證植入數(shù)量及深度的前提下根據(jù)現(xiàn)場實際進行調整，同時根據(jù)實際植入錨栓位置放樣鋼橫梁中的孔位。鋼橫梁安裝后應保證底部水平以保證支座的安裝精度。

4.4 梁牛腿切割及修補

主梁上牛腿在改造基本完成后通過繩鋸切割；下牛腿則澆筑混凝土修補，具體布置見圖7。為了保證新舊混凝土黏結質量，界面應鑿毛、植筋并噴灑界面劑，同時應采用自密實混凝土。伸縮裝置采用普通的型鋼嵌擠型，割除上牛腿一側通過植入鋼筋后錨固技術與既有主梁錨固連接。下牛腿修補一側則通過常規(guī)的預埋鋼筋的方式實現(xiàn)伸縮裝置的錨固。

5 結語

東崗樓立交橋于2014年6月改造完成，運營至今狀態(tài)良好。該橋的改造設計思路清晰，在基本上不改變橋梁受力體系的前提下，通過局部的改造實現(xiàn)梁牛腿“L”形接縫的“I”形改造，徹底整治了橋梁結構病害。同時該橋的改造施工可行性較高、施工造價低、工期短，其牛腿改造設計方案對類似改造工程具有參考價值。