牡丹江大橋加固設(shè)計

王兆銘

（同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計研究院(集團(tuán))有限公司，上海市200092）

0 引言

20世紀(jì)50年代，隨著“預(yù)應(yīng)力學(xué)說”理論體系的完善，預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁得到了飛速的發(fā)展[1]。預(yù)應(yīng)力T梁具有工廠模具化預(yù)制生產(chǎn)、現(xiàn)場架設(shè)拼裝的特點，得到了廣泛的應(yīng)用，始建于1982年的牡丹江大橋是其中的典型代表之一。

在我國橋梁建設(shè)取得重大成就的同時，由于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)提高、車輛超載等原因，部分已建橋梁存在著不同程度的安全隱患和病害，需要有針對性地進(jìn)行加固處理[4]。經(jīng)過三十多年的運營，牡丹江大橋已經(jīng)不能適應(yīng)城市建設(shè)發(fā)展的需求，大橋的拓寬改造已經(jīng)顯得尤為必要。在對牡丹江大橋改造利用的同時，需要對原結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行加固設(shè)計，以確保改造后的大橋能適應(yīng)新的承載能力需求。

1 總體介紹說明

1.1 工程背景

牡丹江大橋始建于1982年5月，于1984年9月建成通車（見圖1）。該橋為一座偏南北走向的13跨預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁橋，橋梁法線與河道中心線正交，橋梁全長541.51 m，跨徑組合為13×40.0 m。

圖1 牡丹江大橋改造前之實景

全橋橋面總寬為20.8 m，橋?qū)挷贾脼椋?.4 m欄桿基座+2.5 m人行道+15 m車行道+2.5 m人行道+0.4 m欄桿基座。橋面鋪裝采用厚0.04～0.08 m混凝土墊層+0.01 m防水層+0.04 m混凝土保護(hù)層+0.05 m瀝青混凝土層，墩臺處均設(shè)型鋼伸縮裝置，兩側(cè)人行道外側(cè)采用高為1.1 m的鋼筋混凝土+鋼管柵式欄桿（見圖2）。

圖2 老橋支點處斷面圖（單位：m）

該橋每跨上部結(jié)構(gòu)均由8榀預(yù)應(yīng)力混凝土T梁組成，梁高均為2.4 m。梁間中心距為2.4 m，相鄰T梁間采用0.6 m寬的現(xiàn)澆濕接帶。每跨主梁間均設(shè)7道橫隔梁，相鄰兩橫隔梁間中心距為6.48 m。主梁采用450號混凝土，接近于新規(guī)范C43混凝土的材料力學(xué)性能。

牡丹江老橋設(shè)計荷載等級為汽車-20級、掛車-100，人群荷載為3.5 kN/m2，兩端橋頭設(shè)20t限載標(biāo)志牌。

牡丹江大橋是連接江南、江北的交通要道，目前交通十分擁堵，為緩解老橋的交通壓力，對該橋進(jìn)行拓寬改造。拓寬改造時，將舊橋兩側(cè)人行道拆除，改建后舊橋橋面寬度為20 m，拓寬新建橋梁寬度為21.48 m，新舊橋上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置2 cm寬的沉降縫。拓寬新建橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計安全等級為Ⅰ級，設(shè)計荷載為城-A級。改造后橋?qū)挷贾脼椋◤呐f橋側(cè)向新橋側(cè)）：0.59 m欄桿基座+2.31 m人行道+3.0 m非機(jī)動車道+0.35 m防撞護(hù)欄+14.0 m機(jī)動車道+0.5 m防撞護(hù)欄+14.0 m機(jī)動車道+0.35 m防撞護(hù)欄+3.5 m非機(jī)動車道+2.31 m人行道+0.59 m欄桿基座=41.5 m（見圖3）。由于老橋需改造為單向坡度橋梁，為了控制上部結(jié)構(gòu)鋪裝荷載，老橋改造后采用0.65%的單向橫坡，老橋橋面采用厚0.08～0.19 m鋼筋混凝土層+0.1 m瀝青混凝土。

圖3 改造后新老橋支點斷面圖（單位：m）

1.2 老橋主要病害

老橋橋面系鋪裝層有坑槽、縱橫向裂縫及網(wǎng)裂；伸縮縫堵塞、止水帶均老化、開裂；人行道路緣石和欄桿基座混凝土破損、露骨嚴(yán)重，飾面砂漿剝落、破損，存在縱橫向收縮裂縫。

上部結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力混凝土T梁部分有泛白、泛堿現(xiàn)象，部分混凝土破損、露筋銹蝕。

老橋部分支座鋼盆銹蝕。下部結(jié)構(gòu)部分墩臺滲水泛白，部分蓋梁混凝土起殼、剝落，鋼筋外露銹蝕，破冰鐵板銹蝕。

經(jīng)檢測，老橋技術(shù)狀況總體評定為B級橋（良好狀態(tài)）。

1.3 加固設(shè)計主要原則

原大橋設(shè)計荷載等級為汽車-20級、掛車-100，人群荷載為3.5 kN/m2，荷載等級較低。通過梁格計算模型計算分析，原設(shè)計安全儲備較小，通過體外預(yù)應(yīng)力鋼束等加固手段無法將結(jié)構(gòu)提高到新規(guī)范城-A的標(biāo)準(zhǔn)。綜合該橋加固方案研討會專家組的意見，以及考慮運營管養(yǎng)方便，按現(xiàn)行規(guī)范對老橋加固進(jìn)行驗算。其主要構(gòu)件安全度應(yīng)盡量滿足城-B荷載的要求。

1.4 主要的加固方法[2-3]

目前主流的加固方法主要有以下幾種：（1）增大截面加固法；（2）粘貼鋼板加固法；（3）粘貼纖維復(fù)合材料加固法；（4）體外預(yù)應(yīng)力加固法；（5）改變結(jié)構(gòu)體系加固法。

體外預(yù)應(yīng)力加固法是在梁體的外部（或箱內(nèi)）布置預(yù)應(yīng)力鋼束，通過張拉體外預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生反彎矩抵消部分外荷載產(chǎn)生的內(nèi)力，達(dá)到改善梁體承載能力的目的。該方法是目前主流的加固方法之一，特別適用于大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁和簡支T梁的加固。

1.5 Midas有限元模型

大橋空間梁格有限元模型如圖4所示，全橋共8片T梁，T梁編號如下：1#（新老橋中央隔離墩側(cè)）～8#（老橋人行道側(cè)）（T梁編號詳見圖 3）。各片T梁除了按真實橫隔板進(jìn)行橫向聯(lián)系外，同時考慮橋面板、濕接縫的橫向聯(lián)系，在全橋范圍內(nèi)增設(shè)橫向虛擬聯(lián)系梁，模型按真實支座剛度模擬邊界條件。

圖4 全橋空間midas有限元分析模型

2 牡丹江大橋加固方案[4]

2.1 加固方案綜述

根據(jù)老橋檢測結(jié)果及大橋拓寬改造需求，老橋加固維修措施分述如下。

2.1.1 橋面系

鑿除全橋橋面鋪裝、兩側(cè)欄桿和人行道，重新鋪筑橋面鋪裝，橫坡設(shè)為單向坡，坡度為0.65%。改造后的舊橋橋面采用厚0.08～0.19 m鋼筋混凝土層+0.1 m瀝青混凝土。為保證橋面鋪裝與T梁工作的整體性，在T梁腹板和橫隔梁上種植結(jié)合面鋼筋，縱橫交錯布置。新舊橋在縱向接縫處設(shè)置縱向伸縮縫，且在相接的舊橋翼板底面增設(shè)不銹鋼板滴水槽。

在橋梁西側(cè)現(xiàn)澆人行道，并新設(shè)花崗巖欄桿，重新對人行道磚面進(jìn)行鋪砌。

2.1.2 主梁體外預(yù)應(yīng)力鋼束加固

對每跨 1#、5#、6#、7#、8#T 梁（全橋共計 65片T梁）進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力加固，每片T梁張拉2束3-s15.2預(yù)應(yīng)力鋼絞線，其控制應(yīng)力為1 209 MPa。

2.1.3 耐久性修補(bǔ)

對全橋兩側(cè)邊梁與中梁間翼緣、T梁腹板和濕接帶、人行道下方懸臂板底面泛白、泛堿處，刷洗干凈后，涂刷兩遍水泥基滲透結(jié)晶型漿料進(jìn)行耐久性防護(hù)。

對全橋局部鋼筋銹脹、混凝土破損處，先鑿除銹脹和破損處疏松的混凝土，對鋼筋徹底除銹并清理干凈后，采用聚合物修補(bǔ)砂漿予以修復(fù)。

2.2 橋面系鋪裝層改造加固

綜合大橋拓寬改造需求，老橋橋面鋪裝需鑿除改造為單向橫坡橋梁；綜合考慮上部T梁結(jié)構(gòu)受力，改造后的坡度為0.65%。改造后舊橋橋面采用厚0.08～0.19 m鋼筋混凝土層+0.1 m瀝青混凝土。由于改造后鋼筋混凝土調(diào)平層厚度較厚，該方案設(shè)計時，考慮通過植筋手段增強(qiáng)鋪裝層與T梁連接的可靠性，使得部分混凝土調(diào)平層的剛度可以參與上部結(jié)構(gòu)整體受力（見圖5）。調(diào)平層對結(jié)構(gòu)受力的貢獻(xiàn)，該設(shè)計作為安全儲備，結(jié)構(gòu)計算不予考慮。

圖5 通過植筋加強(qiáng)鋪裝層與T梁的聯(lián)系之示意圖及其實景

2.3 T梁體外預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計

通過計算分析得知，只有部分T梁需要進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力加固。同時為了避免體外預(yù)應(yīng)力反彎效應(yīng)造成的結(jié)構(gòu)頂緣開裂，該設(shè)計考慮在施工橋面鋪裝層后再張拉體外預(yù)應(yīng)力鋼束。

經(jīng)過計算，對每跨 1#、5#、6#、7#、8#T 梁進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力加固（每片T梁張拉2束3-φs15.2預(yù)應(yīng)力鋼絞線），對每跨2#、3#、4#T梁進(jìn)行耐久性修補(bǔ)（見圖 6～圖 8）。

圖6 T梁體外預(yù)應(yīng)力鋼束布置圖（單位：mm）

圖7 中梁體外預(yù)應(yīng)力鋼束轉(zhuǎn)向裝置設(shè)計圖（單位：mm）

圖8 體外預(yù)應(yīng)力鋼束錨固構(gòu)造設(shè)計圖（單位：mm）

體外預(yù)應(yīng)力鋼束基本沿T梁下緣直線布設(shè)，在距離分跨線約7 m位置的橫梁處設(shè)置預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)向塊（見圖9）。預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)向角度以適合預(yù)應(yīng)力錨固空間需求即可，盡可能減小轉(zhuǎn)向角度，避免過大轉(zhuǎn)向角度對結(jié)構(gòu)造成的不利影響。體外預(yù)應(yīng)力在距離梁段1.7m位置處進(jìn)行錨固，通過抗剪螺栓和鋼板來確保預(yù)應(yīng)力鋼束的錨固性能。預(yù)應(yīng)力鋼束張拉控制應(yīng)力為1 209 MPa，單根鋼絞線的張拉控制力為168.05 kN。

圖9 張拉體外預(yù)應(yīng)力鋼束之實景

2.4 老橋加固后結(jié)構(gòu)受力性能

老橋已經(jīng)運營三十多年，結(jié)合老橋的檢測結(jié)果，該設(shè)計通過midas空間梁格計算模型，按實際施工順序進(jìn)行了精細(xì)化計算分析，模擬了結(jié)構(gòu)各階段的受力狀態(tài)，主要技術(shù)指標(biāo)如表1所列。

從計算結(jié)果可以看出，老橋加固后主要的技術(shù)指標(biāo)均可以滿足新規(guī)范城-B的要求[5]。結(jié)構(gòu)主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力、結(jié)構(gòu)抗力等計算結(jié)果也滿足新規(guī)范城-B的要求，限于篇幅，計算結(jié)果不再一一羅列。

牡丹江大橋經(jīng)過改造加固，于2016年8月15建成通車（見圖10）。

表1 加固后老橋主要應(yīng)力指標(biāo)表 MPa

圖10 牡丹江大橋改造后之實景

3 結(jié)語

隨著荷載等級的提高、城市建設(shè)的迅猛發(fā)展，加上橋梁本身運營多年出現(xiàn)的病害，橋梁結(jié)構(gòu)安全受到了嚴(yán)重威脅。本文以牡丹江大橋為載體，介紹了其在改造拓寬過程中的加固方法。其中，部分設(shè)計思路可供類似工程借鑒：

（1）對于較厚的混凝土鋪裝調(diào)平層，可以通過植筋等手段將老橋T梁與新鋪裝有機(jī)結(jié)合，從而增加結(jié)構(gòu)剛度，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)安全儲備，提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)健性。

（2）對T梁進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力加固方案研究時，宜通過空間精細(xì)化計算分析，研究和發(fā)現(xiàn)不同部位對增設(shè)體外束的敏感性和必要性，應(yīng)對不同部位采取不同的加固方法。