姚 青

[上海城建市政工程（集團(tuán)）有限公司，上海市 200065]

0 引言

平申線航道（上海段）規(guī)劃航道等級(jí)為Ⅳ級(jí)，建成于1990 年的金山大橋因不滿足Ⅳ級(jí)航道通航要求，需拆除重建。新橋分幅設(shè)計(jì)，在滿足保通需求下首先施工北幅新橋，同時(shí)維持舊橋交通。待北幅新橋建成后拆除舊橋，最后建設(shè)南幅新橋。舊橋?qū)?2.5 m，新橋?qū)?×18.25 m+3.15 m，平面上北幅新橋與舊橋重疊0.5～2.5 m，立面上新橋大部分高于舊橋。所以新橋上部結(jié)構(gòu)架設(shè)與舊橋基本不沖突，但主橋橋墩蓋梁與舊橋箱梁懸臂沖突，舊橋翼緣需要提前局部拆除，且部分拆除后的舊橋仍需承擔(dān)一年多的續(xù)運(yùn)營(yíng)期。

橋梁拆除施工是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工程，具有高風(fēng)險(xiǎn)、高技術(shù)、高難度的特征[1-3]。舊橋經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)營(yíng)和維修加固，其強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性都有不同程度的下降，在部分切割后結(jié)構(gòu)受力變得更為復(fù)雜，橋梁續(xù)運(yùn)營(yíng)期的安全風(fēng)險(xiǎn)顯著提高。國(guó)內(nèi)采用切割法分段分塊拆除橋梁已有非常多的工程應(yīng)用和經(jīng)驗(yàn)積累[4-6]，但是舊橋全部拆除之前實(shí)施部分切割拆除而后繼續(xù)承載運(yùn)營(yíng)的工程實(shí)例較為罕見(jiàn)。本文對(duì)金山大橋部分拆除后的續(xù)運(yùn)營(yíng)期性能進(jìn)行了監(jiān)測(cè)和分析，為今后類似工程提供工程借鑒。

1 工程概況

金山大橋主橋?yàn)槿珙A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，跨徑組成為（43.4+66+43.4）m=152.8 m，采用懸臂澆筑法施工。主橋上部結(jié)構(gòu)采用分離式雙箱單室結(jié)構(gòu)，箱梁混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)為C40。中墩處梁高4.0 m，頂板全寬22.5 m，兩箱相距3 m。箱梁縱向預(yù)應(yīng)力鋼束采用24Φ5S 碳素鋼絲，鋼絲標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 600 MPa，張拉控制應(yīng)力1 200 MPa，全橋共張拉718 束，采用45 號(hào)優(yōu)質(zhì)鋼錐型錨具錨固。箱梁未設(shè)橫向預(yù)應(yīng)力。

由于梁體出現(xiàn)大量裂縫，特別是腹板裂縫，幾乎遍布全橋，在2009 年的定期檢查中被評(píng)定為4 類橋梁，混凝土取芯結(jié)果為C30。2010 年5 月進(jìn)行加固維修，主要措施有：

（1）對(duì)不小于0.10 mm 裂縫進(jìn)行壓漿封閉，對(duì)0.10 mm 以下裂縫進(jìn)行表面封閉。

（2）剪力控制區(qū)域的腹板加厚15～20 cm，同時(shí)增設(shè)豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋，間距50 cm，采用直徑25 mm 的精軋螺紋鋼筋，增強(qiáng)主梁腹板抗剪性能。

（3）箱梁外側(cè)底部和側(cè)面粘貼碳纖維布，抑制混凝土裂縫的擴(kuò)展并提高抗拉性能。

因新建橋主橋橋墩蓋梁與舊橋箱梁懸臂沖突?；谛屡f橋位置關(guān)系（見(jiàn)圖1），依據(jù)設(shè)計(jì)建議采用翼緣局部切割法[7-8]拆除進(jìn)行舊橋改造，分別于兩個(gè)沖突位置對(duì)翼緣進(jìn)行切割拆除（見(jiàn)圖2）。翼緣切割長(zhǎng)度5 m，切割深度2.75 m，最多共有7 束翼緣預(yù)應(yīng)力鋼束被拆除。作為局部縱向補(bǔ)強(qiáng)，在局部切割后，同時(shí)采用高度500 mm 的箱型鋼梁與舊橋箱梁連接。

圖1 新舊橋主橋處斷面位置關(guān)系（單位：mm）

圖2 切割平面位置（單位：m）

2 續(xù)運(yùn)營(yíng)期結(jié)構(gòu)性能分析

2.1 計(jì)算模型

考慮到結(jié)構(gòu)分析的目的和成本，對(duì)金山大橋的切割建模，考慮圣淮南原理，在3 倍切割區(qū)域范圍內(nèi)，采用組合雙梁模型進(jìn)行建模分析。同時(shí)通過(guò)加密節(jié)點(diǎn)的方式，形成連續(xù)約束雙梁模型（見(jiàn)圖3），盡可能消除梁間的變形不協(xié)調(diào)，使模擬結(jié)果準(zhǔn)確。

圖3 連續(xù)約束雙梁模型

有黏結(jié)的后張法預(yù)應(yīng)力筋放張后存在較高的殘余預(yù)應(yīng)力。分析時(shí)，殘余預(yù)應(yīng)力值近似按照先張法預(yù)應(yīng)力筋的傳遞長(zhǎng)度計(jì)算[9]，提高實(shí)際結(jié)構(gòu)的模擬精度，盡可能反映局部拆除舊橋的承載力。

有限元分析采用Midas Civil 軟件。按預(yù)應(yīng)力混凝土A 類構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算。設(shè)計(jì)汽車荷載采用公路I級(jí)。溫度荷載按橋梁規(guī)范采用。

主要施工步驟模擬按照舊橋建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、加固、運(yùn)營(yíng)和切割翼緣等階段進(jìn)行[10]（見(jiàn)表1）。

表1 施工階段

2.2 切割前后主要性能比較

切割后抗彎承載力和基本組合彎矩包絡(luò)圖見(jiàn)圖4。由于切割翼緣導(dǎo)致的截面削弱、鋼束的切除使得切割后主梁斷面的抗彎承載力有所下降。切割前和切割后主梁的抗彎承載能力均能滿足安全要求。在正彎矩區(qū)，承載能力的安全裕度相對(duì)較小，切割前后分別為1.03 和1.07。

圖4 抗彎承載力和基本組合彎矩包絡(luò)圖

切割前，舊橋抗剪承載能力和基本組合剪力包絡(luò)圖見(jiàn)圖5。切割前，舊橋主梁的抗剪承載能力多處略有不足。如果考慮2010 年加固的豎向預(yù)應(yīng)力，在中支點(diǎn)處對(duì)一側(cè)箱梁能夠提供1 800 kN 承載能力，則效應(yīng)值超出抗力值5.5%。若進(jìn)一步考慮加固時(shí)腹板的加寬貢獻(xiàn)，舊橋抗剪承載力能滿足安全要求。切割后，由于結(jié)構(gòu)自重略有降低，效應(yīng)值超出抗力值的比例降低為1.2%。

圖5 抗剪承載能力和基本組合剪力包絡(luò)圖

切割前后，金山大橋的抗裂性驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表2。按預(yù)應(yīng)力混凝土A 類構(gòu)件驗(yàn)算，切割前混凝土主拉應(yīng)力超出規(guī)范限值。實(shí)際上舊橋也存在很多使用階段裂縫，這與加固前金山大橋的狀態(tài)相吻合。

表2 抗裂性比較 單位：MPa

局部翼緣的切割未對(duì)主梁的正應(yīng)力造成顯著影響，切割后比切割前的應(yīng)力增大約2%，沒(méi)有明顯變化。切割翼緣之后，頻遇組合下的主拉應(yīng)力也基本沒(méi)有發(fā)生變化，一些梁段主拉應(yīng)力還有所下降。這是由于自重卸載作用使主梁恒載剪力減小，剪應(yīng)力也相應(yīng)降低，從而主拉應(yīng)力也隨之降低。另外，考慮到豎向預(yù)應(yīng)力筋的作用，切割后主梁斜截面抗裂能力滿足要求。

切割前后撓度和基頻見(jiàn)表3。切割翼緣之后，主梁撓度略有增加，但是變化量較小，未超過(guò)4%。切割前后主梁豎彎基頻變化范圍在1%以內(nèi)。

表3 汽車荷載撓度和基頻比較

3 續(xù)運(yùn)營(yíng)期內(nèi)橋梁性能監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)分析

金山大橋改造施工后將繼續(xù)一年的續(xù)運(yùn)營(yíng)，在此過(guò)程中對(duì)結(jié)構(gòu)整體安全狀態(tài)進(jìn)行全過(guò)程監(jiān)控。監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括跨中撓度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、主梁應(yīng)變實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和裂縫數(shù)據(jù)觀測(cè)。

3.1 切割前監(jiān)測(cè)

切割前后撓度和應(yīng)力監(jiān)測(cè)主要數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。主梁局部切割之前，東邊跨跨中監(jiān)測(cè)到最大撓度10.67 mm，中跨跨中監(jiān)測(cè)到最大撓度-8 mm，西邊跨跨中監(jiān)測(cè)到最大撓度-6.85 mm。變形后，數(shù)據(jù)基本恢復(fù)正常，說(shuō)明橋梁剛度比較穩(wěn)定。

表4 切割前后撓度和應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

大多數(shù)位置測(cè)點(diǎn)應(yīng)力和日溫度的變化相關(guān)性強(qiáng)，隨日溫度變化規(guī)律明顯。監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)，季節(jié)溫度也有所變化，所以大部分應(yīng)力數(shù)據(jù)受溫度變化影響很大。局部時(shí)間段受通車車輛荷載的影響，應(yīng)力有所變化，負(fù)彎矩上緣比較明顯，跨中上緣變化較小。

根據(jù)前述受力分析，考慮汽車荷載和梯度溫度共同作用進(jìn)行組合作為運(yùn)營(yíng)階段的受力包絡(luò)，以此來(lái)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和控制。從表4 中可知，3 個(gè)跨中測(cè)點(diǎn)的撓度實(shí)測(cè)值均小于理論計(jì)算值，即監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)都在理論控制范圍內(nèi)，說(shuō)明撓度控制上有足夠的富裕度。梁頂?shù)? 個(gè)正應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力實(shí)測(cè)值也大部分小于理論控制值。東邊跨跨中梁頂應(yīng)力實(shí)測(cè)值比計(jì)算控制值偏大0.88 MPa，考慮到理論上邊跨跨中仍有1.41 MPa 的抗拉儲(chǔ)備，所以監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本可控。

3.2 切割實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

西側(cè)翼緣切割完成現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖6。翼緣局部切割分為3 塊分步進(jìn)行，分塊切割順序見(jiàn)圖7。第一天進(jìn)行首縫切割，觀察和監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)橋梁工作情況穩(wěn)定后，第二天進(jìn)行余縫的切割。

圖6 西側(cè)第三塊切割完成

圖7 西側(cè)切割順序圖（單位：m）

從切割前后的撓度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線圖（見(jiàn)圖8 和圖9）可以看出，撓度變化與日溫度變化顯著相關(guān)，切割對(duì)于撓度的影響較小，與前述理論分析結(jié)果一致。中跨跨中監(jiān)測(cè)到最大撓度-6.73 mm，西側(cè)邊跨跨中監(jiān)測(cè)到最大撓度-2.68 mm。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)都小于切割前最大值，說(shuō)明西側(cè)切割完成后，切割對(duì)主橋撓度影響較小，橋梁剛度比較穩(wěn)定。

圖8 中跨跨中豎向撓度和溫度

圖9 西側(cè)邊跨跨中豎向撓度和溫度

從切割前后的應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線圖（見(jiàn)圖10）可以看出，測(cè)點(diǎn)應(yīng)力與日溫差顯著相關(guān)。切割對(duì)于西側(cè)邊跨跨中應(yīng)力影響比較明顯。切割過(guò)程中，中跨跨中監(jiān)測(cè)到最大的應(yīng)力變化值為0.9 MPa，鋼梁監(jiān)測(cè)到最大應(yīng)力變化值為19 MPa。其余應(yīng)力測(cè)點(diǎn)變化較小，切割影響有限。從表4 可知，東中墩頂?shù)膽?yīng)力實(shí)測(cè)值超出計(jì)算控制值1.82 MPa，但理論上中墩墩頂仍有1.31 MPa 的抗拉儲(chǔ)備，需對(duì)裂縫情況進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)控。

圖10 西側(cè)支墩上緣應(yīng)力和溫度

3.3 切割運(yùn)營(yíng)兩周后

切割后運(yùn)營(yíng)兩周的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本規(guī)律同切割后，時(shí)長(zhǎng)兩周的撓度和應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖11 和圖12。測(cè)點(diǎn)應(yīng)力和撓度仍舊與日溫差顯著相關(guān)。東邊跨跨中監(jiān)測(cè)到最大撓度-5.12 mm，中跨跨中監(jiān)測(cè)到最大撓度-8.15 mm，西邊跨跨中監(jiān)測(cè)到最大撓度-8.35 mm。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均小于切割前監(jiān)測(cè)最大值。切割運(yùn)營(yíng)兩周后對(duì)橋梁的監(jiān)控表明，橋梁剛度比較穩(wěn)定。測(cè)點(diǎn)的撓度和應(yīng)力大部分可控，且有足夠的富裕度。車輛荷載對(duì)橋梁測(cè)點(diǎn)撓度和應(yīng)力影響有限。

圖11 西側(cè)邊跨跨中豎向撓度和溫度

圖12 西側(cè)支墩上緣應(yīng)力和溫度

從表4 可知，切割后運(yùn)營(yíng)兩周的撓度實(shí)測(cè)值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論計(jì)算值，說(shuō)明撓度控制上還有足夠的富裕度。東邊跨跨中的應(yīng)力實(shí)測(cè)值超出計(jì)算控制值0.37 MPa，因?yàn)橹卸斩枕斎杂?.41 MPa 的抗拉儲(chǔ)備，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本可控。

3.4 切割運(yùn)營(yíng)一個(gè)月后

切割后運(yùn)營(yíng)一個(gè)月的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖13 和圖14。東邊跨跨中監(jiān)測(cè)到最大撓度10.89 mm，中跨跨中監(jiān)測(cè)到最大撓度-6.27 mm，西邊跨跨中監(jiān)測(cè)到最大撓度-4.21 mm。所監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)在6 月14 日有突變，后恢復(fù)正常。從表4 可知，撓度實(shí)測(cè)值均小于理論計(jì)算值，說(shuō)明撓度控制上還有足夠的富裕度。應(yīng)力實(shí)測(cè)值也均小于理論計(jì)算值。

圖13 西側(cè)邊跨跨中豎向撓度和溫度

圖14 西側(cè)支墩上緣應(yīng)力和溫度

4 結(jié)論

（1）金山大橋續(xù)運(yùn)營(yíng)期結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明，由于翼緣切割時(shí)也切割了部分預(yù)應(yīng)力鋼束，對(duì)主梁的抗彎承載能力有一定影響，但對(duì)主梁的抗剪承載能力幾乎沒(méi)有影響。切割前后主梁正截面和斜截面的抗裂性能沒(méi)有發(fā)生明顯變化。切割翼緣沒(méi)有明顯影響主梁剛度，切割前后，主梁撓度的變化幅度在4%以內(nèi)，基頻的變化幅度在1%以內(nèi)。

（2）切割前后的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，實(shí)測(cè)撓度和應(yīng)力數(shù)據(jù)隨日溫度變化規(guī)律明顯，通車車輛荷載的影響相對(duì)較不顯著。監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)置的理論值宜采用汽車荷載和規(guī)范梯度溫度荷載的組合控制值。

（3）經(jīng)過(guò)一年多的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)撓度和應(yīng)力數(shù)據(jù)均在理論計(jì)算控制范圍內(nèi)?；炷料淞簶虻囊砭壘植壳懈顚?duì)整體橋梁的運(yùn)營(yíng)未造成實(shí)質(zhì)性的影響，橋梁能保持正常運(yùn)營(yíng)，完成通車任務(wù)?；炷料淞簶蚓植壳懈罘绞胶托阅芊治瞿転橥愋团f橋改造提供借鑒。