曾尉萍

(湖州交通規(guī)劃設(shè)計院，浙江 湖州 313000)

據(jù)不完全統(tǒng)計，當前中國建成的公路橋和鐵路橋總數(shù)已超過百萬座，是當之無愧的橋梁大國。且隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高速發(fā)展，更多的橋梁完成建設(shè)并投入運營。但不可忽視的是，許多地方過于重視橋梁建設(shè)，而忽略了橋梁的養(yǎng)護。一部分重要橋梁由于養(yǎng)護不及時或維修加固技術(shù)不成熟，技術(shù)狀況持續(xù)變差，最終成為危橋，不僅影響當?shù)亟煌ㄍㄐ行剩查g接阻礙了當?shù)亟?jīng)濟建設(shè)的快速發(fā)展。與中國歷史悠久的造橋工藝技術(shù)相比，當前中國對橋梁維修加固技術(shù)的研究仍較薄弱，處于相對滯后的狀態(tài)。因此，研究橋梁維修加固新技術(shù)有著十分重要的意義。該文以浙江省湖州市羅家浜跨鐵大橋維修加固為工程實例，提出一種橋上架橋的橋梁維修加固技術(shù)。

1 工程概況

羅家浜跨鐵大橋是G104至天門絲廠公路上的一座重要橋梁，建成于2005年。橋梁配跨為(22×16) m，右偏角90°，第7、第8孔跨越既有宣杭(宣城—杭州)鐵路。橋?qū)挒?.25 m人行道+7 m行車道+1.25 m人行道=9.5 m，雙向兩車道，兼顧部分市政功能。采用大刀片欄桿、混凝土橋面。橋梁上部結(jié)構(gòu)為16 m跨徑鋼筋混凝土簡支空心板，板寬為1.0 m，梁高為0.85 m。下部結(jié)構(gòu)為柱式墩(柱徑1.0 m)接擴大基礎(chǔ)、重力式U形橋臺。原設(shè)計荷載等級為汽-20、掛車-100，當前通行限載為22.5 t。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，結(jié)合橋梁檢測報告，該橋主要存在以下病害：1) 全橋空心板梁底存在較多橫向貫穿裂縫，裂縫間距約0.2 m，沿縱橋向板底滿布，縫寬為0.10～0.41 mm，多數(shù)裂縫寬度超過規(guī)范容許值0.2 mm，部分邊板梁底橫向裂縫已開展至腹板1/2 梁高處。2) 空心板梁底勾縫大部分脫落，單板受力現(xiàn)象明顯。3) 全橋下部結(jié)構(gòu)墩、臺蓋梁、墩柱和基礎(chǔ)除局部混凝土銹脹、露筋外，無明顯結(jié)構(gòu)病害。4) 全橋橋面混凝土鋪裝局部區(qū)域存在破損、磨損、露筋、粗骨料外露等現(xiàn)象。綜合以上橋梁病害，該橋上部結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評為4類，下部結(jié)構(gòu)評為2類，全橋技術(shù)狀況綜合評定為4類。依據(jù)規(guī)范，應(yīng)立即采取維修加固措施或盡快拆除改建，同時采取交通管制措施。

2 設(shè)計構(gòu)思與分析

2.1 設(shè)計方案中需考慮的因素

(1) 該橋第7、第8孔上跨既有宣杭鐵路，鐵路部門要求橋梁施工作業(yè)不得干擾橋下鐵路運營，第7、第8孔只能在橋面上進行施工作業(yè)。

(2) 既有宣杭鐵路在該橋東面約1.2 km處跨越長湖申線干線航道，依據(jù)業(yè)主提供的信息，長湖申線航道等級將由Ⅳ級提升為Ⅲ級，鐵路老橋當前不滿足Ⅲ級的凈空要求，將在未來2年內(nèi)拆除重建，羅家浜跨鐵大橋橋下區(qū)域的鐵路路基也要相應(yīng)抬高，將導(dǎo)致羅家浜跨鐵大橋第7、第8孔橋下凈空不滿足改建后鐵路的通行凈高需求。考慮到橋梁施工不能影響橋下鐵路運營，拆除改建方案不可行，只能采取維修加固方案。

(3) 商合杭(商丘—合肥—杭州)高鐵位于宣杭鐵路南側(cè)，羅家浜跨鐵大橋為附近5 km范圍內(nèi)連接既有宣杭鐵路兩側(cè)的唯一通道，也是商合杭高鐵施工車輛的主要通行通道，如果繞行，路程遠，對鐵路施工效率影響較大。另外，附近有許多大型工廠，其員工上下班也需從羅家浜跨鐵大橋通行。因此，羅家浜跨鐵大橋不得長時間中斷交通，且根據(jù)商合杭高鐵項目的需求，該橋維修加固后，其通行能力需達到公路-Ⅰ級荷載標準。

2.2 維修加固方案比選

綜合以上因素，結(jié)合業(yè)主需求進行維修加固方案比選。

(1) 羅家浜跨鐵大橋為附近5 km范圍內(nèi)唯一跨越既有宣杭鐵路的通道，不得長時間中斷交通，更換老橋梁板的方案應(yīng)排除。

(2) 該橋梁板原設(shè)計荷載等級僅為汽-20級、掛-100級，遠不能滿足公路-Ⅰ級荷載要求，且當前梁板病害較多，其實際承載力不足，上部結(jié)構(gòu)被評為4類。通過理論計算，常規(guī)的梁板加固方案即梁底粘貼鋼板無法使梁板承載力提高到公路-Ⅰ級的標準，且橋梁第7、第8孔上跨既有宣杭鐵路，粘貼鋼板施工工序安排非常困難。同樣，梁底增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力方案也無法實施。

綜上，常規(guī)橋梁維修加固方案已無法解決該橋的技術(shù)難題，故提出橋上架橋的加固方案。

3 總體設(shè)計方案

3.1 橋上架橋技術(shù)方案的說明

橋上架橋是指在既有羅家浜跨鐵大橋橋面上架設(shè)一座新的“321”裝配式公路鋼橋，將老橋橋面的汽車荷載轉(zhuǎn)移到新的“321”鋼橋橋面上。“321”鋼橋具有構(gòu)造簡單、部件輕巧、架設(shè)方便、拆裝方便、架設(shè)速度較快、適應(yīng)性強等特點,用簡單的工具和人力就能迅速建成，非常適合運用于該項目。

3.2 橋上架橋技術(shù)方案的特點

(1) “321”鋼橋上部結(jié)構(gòu)自重輕，縱橋向換算成均布荷載僅17 kN/m，鋼橋自重引起的荷載效應(yīng)對老橋上下部結(jié)構(gòu)造成的影響較小且在老橋承載力容許范圍內(nèi)。

(2) “321”鋼橋承載能力高，可根據(jù)不同項目需要搭配滿足公路-Ⅰ級荷載要求的配置組合，可滿足商合杭高鐵施工車輛的需求。

(3) “321”鋼橋拼裝施工工藝成熟，施工時間短，工期可控，可快速恢復(fù)羅家浜跨鐵大橋的交通，同時可以人工完成拼裝，不需采用大型機械。最重要的是，所有施工作業(yè)均在老橋橋面上進行，對橋下既有宣杭鐵路的運營為零干擾。

3.3 設(shè)計方案介紹

老橋上部結(jié)構(gòu)采用16 m標準跨徑鋼筋混凝土簡支空心板，而“321”鋼橋的標準跨徑為3 m的整數(shù)倍，宜選15 m，縱橋向?qū)ΨQ放置于老橋16 m跨中，相鄰兩跨之間間隙(1.0 m長)采用“321”非標鋼桁架連接?！?21”鋼橋聯(lián)長設(shè)置與老橋空心板一致，即鋼橋在4#、8#、13#、18#墩頂處斷開，作為“321”鋼橋的伸縮端口。兩聯(lián)之間采用1.0 m長非標鋼結(jié)構(gòu)連接?！?21”鋼橋布跨為21×(15+1)m+15 m=351 m，立面布置見圖1。

圖1 “321”鋼橋立面布置示意圖(單位：cm)

“321”鋼橋橫斷面布置主要考慮以下因素：一是機、非分離，確保過往行人和非機動車的通行安全；二是橋?qū)挷捎脙?.8 m超寬車道，滿足商合杭高鐵項目施工超寬車輛的通行需求。橫斷面布置為0.63 m貝雷片+0.2 m路緣帶+凈4.8 m行車道+0.2 m路緣帶+0.63 m貝雷片=6.46 m(見圖2)，橫橋向兩側(cè)原人行道1.25 m范圍供行人、非機動車通行。

圖2 “321”鋼橋橫斷面布置示意圖(單位：cm)

3.4 “321”鋼橋貝雷梁受力分析

“321”鋼橋上部結(jié)構(gòu)中，1 m跨采用非標3排單層組合，15 m跨采用3排單層加強型(貝雷片上下均加強)組合。

對“321”鋼橋進行結(jié)構(gòu)受力驗算時，主要受力構(gòu)件貝雷梁計算跨徑取為1×15 m，按照最不利工況簡支梁模型進行復(fù)核驗算。汽車荷載標準按照JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》的規(guī)定取值。鋼橋橋面凈寬為4.8 m，計算時偏安全地按照一個公路-Ⅰ級和一個公路-Ⅱ級的車道荷載疊加效應(yīng)進行布載。依據(jù)《裝配式公路鋼橋使用手冊》，3排單層加強型“321”鋼橋桁架容許內(nèi)力如下：彎矩為4 809.4 kN·m；剪力為698.9 kN。經(jīng)過計算，鋼橋承受的活載效應(yīng)在跨中的組合彎矩設(shè)計值為4 338 kN·m<4 809.4 kN·m；支點處承受的活載效應(yīng)組合剪力設(shè)計值為613 kN<698.9 kN。采用的15 m跨徑3排單層加強型鋼橋承載能力滿足要求。

3.5 對老橋空心板的加固設(shè)計

老橋梁板為標準16 m跨鋼筋混凝土簡支空心板，而“321”鋼橋主跨徑為15 m，對稱放置于空心板跨中，鋼橋端部支撐點均落于距空心板板端0.5 m位置處?！?21”鋼橋和羅家浜跨鐵大橋的相對位置見圖3。

圖3 “321”鋼橋和羅家浜跨鐵大橋相對位置示意圖(單位：cm)

“321”鋼橋橋面上的荷載由上向下的傳力路徑為“321”鋼橋貝雷梁→鋼橋底部支撐點→老橋混凝土橋面鋪裝→老橋空心板梁→梁底支座→老橋蓋梁→老橋墩柱→擴大基礎(chǔ)→地基，其中老橋空心板能否安全、有效地傳遞荷載是關(guān)系到傳力路徑成敗的關(guān)鍵。根據(jù)老橋竣工圖紙及病害情況，經(jīng)過理論計算，老橋16 m跨空心板跨中抗彎承載力不足，端部支點處抗剪承載力略微不足。“321”鋼橋與空心板之間傳力通過鋼橋鋼支墊進行，鋼支墊位于距空心板板端0.5 m處，鋼橋上部荷載對老橋空心板跨中產(chǎn)生的荷載效應(yīng)基本可忽略不計，老橋梁板跨中承載力不足不是設(shè)計的主要控制因素。對于老橋梁板端部抗剪承載力略顯不足的問題，作如下加固處理：施工前，對老橋所有墩頂處橋面鋪裝混凝土進行檢查，對局部坑槽及混凝土碎裂嚴重的區(qū)域，鑿除混凝土后用C50混凝土進行修補；在鋼支墊下橋面鋪裝混凝土表面粘貼2 cm厚Q235B鋼板，鋼板可起到應(yīng)力擴散的效果，鋼板作為“321”鋼橋橋座或支撐鋼支墊的墊板；對空心板端部1.0 m范圍中間空心區(qū)域采用C50自流平混凝土填充成實心，提高空心板端部抗剪、抗壓承載力。

“321”鋼橋鋼支墊位于距空心板板端0.5 m處，空心板梁底支座距離板端0.25 m，上下荷載作用點的錯位使空心板承受較大的剪力。另外，由于車輛荷載增大，老橋支座已不能適應(yīng)公路-Ⅰ級荷載需求。根據(jù)老橋竣工圖，每塊空心板端部設(shè)有2個GJZ140×140×28型支座。經(jīng)驗算，在公路-Ⅰ級荷載作用下，現(xiàn)有支座承載力不滿足要求。因此，在保持現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，在每塊空心板底距端部0.5 m處增設(shè)2個GJZ150×200×28型支座共同參與受力，解決老橋支座承載力不足的問題，同時改變梁板端部區(qū)域受力模式，使梁板端部由承受剪力效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榱憾嘶炷?內(nèi)部空心區(qū)域填充為實心)僅承受壓應(yīng)力，從而解決老橋空心板端部抗剪承載力略顯不足的問題。支座承載力驗算結(jié)果見表1。

表1 空心板支座承載力驗算結(jié)果

3.6 蓋梁及墩柱受力分析

根據(jù)老橋竣工圖，老橋蓋梁尺寸為寬1.2 m×高1.2 m，若老橋橋面直接承受重車荷載，蓋梁承載能力不滿足公路-Ⅰ級荷載要求。而常規(guī)的蓋梁加固方案為粘貼鋼板補強或體外預(yù)應(yīng)力加固，不僅造價高，施工工藝復(fù)雜，而且對蓋梁承載能力提高不多，無法滿足需求。

采用橋上架橋技術(shù)方案，通過精細化設(shè)計可解決以上難題。根據(jù)圖2，“321”鋼橋支撐點位于橫橋向次邊板(由外向里的第2塊中梁)頂，鋼橋上部荷載均通過老橋次邊板下支座直接傳遞給老橋蓋梁，而老橋次邊板的支座位于橋墩柱頂附近，上部荷載大部分經(jīng)由蓋梁直接傳遞給墩柱，對老橋蓋梁跨中產(chǎn)生的彎矩和支點剪力均較小，老橋蓋梁自身承載力滿足要求。因此，老橋蓋梁無須加固處理。上部荷載由墩柱傳遞給下部基礎(chǔ)并在地基中擴散，實現(xiàn)荷載的轉(zhuǎn)移，整個過程不僅避開了老橋蓋梁加固難的難題，同時最大限度發(fā)揮了墩柱承壓承載力高的特點，一舉兩得。

3.7 橋墩擴大基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)驗算

在公路-Ⅰ級荷載作用下，橋墩擴大基礎(chǔ)底面以上最不利荷載(包含擴大基礎(chǔ)的自重)組合效應(yīng)值為6 400 kN。根據(jù)竣工圖，擴大基礎(chǔ)基底尺寸為長8.9 m、寬3.8 m，基礎(chǔ)底所在土層為較厚的圓礫土(中密，飽和 )，承載力特征值為350 kPa，基礎(chǔ)底均進入圓礫土層不小于1.0 m，計算得擴大基礎(chǔ)基底應(yīng)力為6 400/(8.9×3.8)=189 MPa<350 MPa，滿足要求。

4 施工運營管理要求及施工注意事項

(1) “321”鋼橋運營期間，限速20 km/h，車輛總重限載49 t，限軸載14 t。

(2) “321”鋼橋運營期間，安排專人24 h維護。鑒于該橋僅允許車輛單車道單向通行，橋兩頭需派專人進行交通疏導(dǎo)，確保交通安全。

(3) “321”鋼橋運營期間，加強對羅家浜跨鐵大橋上、下部結(jié)構(gòu)的觀測，若發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性病害或病害發(fā)展較快影響結(jié)構(gòu)安全，及時采取相應(yīng)措施。

(4) “321”鋼橋的架設(shè)與拆除嚴格按《裝配式公路鋼橋使用手冊》實施。鑒于羅家浜跨鐵大橋為4類橋，“321”鋼橋在橋面上拼裝施工時不得使用大型重載機械。

(5) “321”鋼橋使用年限初定為24個月，到期后如需繼續(xù)使用，應(yīng)對鋼橋作全面檢查，評估為安全后方可繼續(xù)使用。

5 結(jié)語

羅家浜跨鐵大橋上部結(jié)構(gòu)空心板梁病害多、承載能力低，且受橋下既有宣杭鐵路限制，常規(guī)的橋梁維修加固技術(shù)無法解決。在深入分析該橋現(xiàn)狀和需解決的工程難題的基礎(chǔ)上，打破常規(guī)思維定勢，突破傳統(tǒng)的橋梁維修加固技術(shù)的局限，提出在羅家浜跨鐵大橋橋面上架設(shè)“321”鋼橋的技術(shù)方案，通過精細化設(shè)計，解決了羅家浜跨鐵大橋維修加固中遇到的難題，也給商合杭高鐵施工及當?shù)鼐用駧順O大便利，取得了良好的經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益。